基于CPLD和VHDL实现时间控制器系统的设计

传统时间控制器功能简单，硬件线路多，设计复杂，可靠性差。随着CPLD（复杂可编程逻辑器件）的飞速发展，它以其编程方便、集成度高，速度快、价格低等特点越来越受到广大电子设计人员的青睐。

本文介绍一种以CPLD为核心、以VHDL为开发工具的时间控制器，该控制器不仅具有时间功能，而且具有定时器功能，能在00：00～23：59之间任意设定开启时间和关闭时间，其设置方便、灵活，广泛应用于路灯、广告灯箱、霓虹灯等处的定时控制。

1 系统设计方案

1.1 系统总体结构

时间控制器主要由CLOCK（数字时钟）、TIMESET（定时器开启时间和关闭时间设置）、COMPARE（比较输出）、FUNC-CTRL（功能控制模块）和显示输出控制模块等组成。

系统方框图如图l所示。

FUNC-CTRL模块控制系统处于不同的功能状态，并产生不同的控制信号分别控制TIME-SET模块和CLOCK模块，而这3个模块的输出连接到COMPARE模块，当系统时间处在开启时间和关闭时间段时，则定时器输出端done输出控制信号，DISP_CTRL（输出选择模块）根据功能模块的控制信号选择不同功能状态的时间输出，通过SELTIME（动态扫描模块）和DELED（七段译码模块）驱动七段数码管显示相应的时间。

1．2 系统功能要求

a）具有数字时钟功能，用4个数码管分别显示小时、分钟，并且具有时间校对功能。

b）能方便地设定定时器的开启时间和关闭时间，通过比较器输出时间控制信号。

c）具有4种功能状态：系统时间校对状态、开启时间设定状态、关闭时间设定状态、时钟正常显示状态，通过功能转换键（fun）可以使系统在这4种状态之间循环变化，并且可以通过指示灯LED显示当前系统功能状态，数码管显示相应功能状态的时间，如当前在开启时间设定状态下，开启时间设置指示灯ledon会亮，数码管同时显示当前设置的时间。

d）开启时间设定、关闭时间设定和时间校对采用共同的时调节键set_hour和分调节键set_min；每按一下set_hour键，小时就会自动加1，采用24进制计数，当计数到23时又会恢复为00；每按一下set_min键，分钟会自动加1；采用60进制计数，当计数到59时，又会恢复为00。

2 子模块功能设计及仿真

2.1 CLOCK模块

CLOCK模块内部整体框图如图2所示。

其中：SECOND为60进制秒计数器，MINUTE为60进制分钟计数器，HOUR为24进制小时计数器；clk为标准的1Hz时钟信号作为秒计数输入，秒计数器的进位输出作为分钟MINUTE的计数时钟，而MINUTE进位输出作为小时HOUR模块的时钟输入；输入端set_rain、set_hour和en_time分别为校分、校时和时间设置控制信号。模块HOUR_MIN把小时和分钟输出合成时间输出信号time［13..0］（小时采用24进制，只需6位二进制表示，分钟用8位二进制表示）。

2．2 TIME_SET模块

开启时问模块主要设置定时器歼启时间，可以设定具体几时几分，而关闭时间则设定定时器关闭时间，起始时间设定模块与结束时间设定模块功能相同，采用同一个TIME_SET模块。该模块由一个24进制小时计数器和一个60进制分钟计数器组成，当控制端EN为高电平时，通过调节键set_hour和set_min分别设置小时和分钟信号，从而设置开启时问和关闭时间，并产生时间信号data［13..0］。仿真结果如图3所示。

2．3 COMPARE模块

COMPARE模块实现系统当前时间与设定的开启时间和关闭时间的比较，从而输出定时控制输出信号。由于系统时间的小时和分钟分别采用24进制和60进制方式，分3种情况讨论：

a）当系统设定的开启时间小于关闭时间时，只要当前系统时间大于等于开启时间而小于关闭时间，则输出端co的输出信号为高电平，否则为低电平。

b）当系统设定的开启时间大于关闭时间时，则当系统时间大于等于关闭时间而小于开启时间时，输出端co为低电平，否则为高电平。

c）如果开启时间等于关闭时间，则输出端co为低电平，仿真结果如图4。

该模块部分VHDL源程序如下：

2.4 FUNC_CTRL模块

利用功能转换键（fun）使系统处在不同的功能状态：系统时间校对状态、开启时间设定状态、关闭时间设定状态、正常显示状态。利用功能转换键实现4个功能状态之间循环变化，并产生相应的控制信号（en_time、en_on、en_off）去控制CLOCK模块、TIME_SET、模块和DISP_CTRL模块等。在调整过程中，只有被选择到的功能状态指示灯被点亮，其他灯不亮，在正常模式状态下，状态灯都不亮。

其部分源程序如下：

2.5 显示控制模块

1）DISP_CTRL模块

该模块根据功能控制模块输出的控制信号en_on、en_off的值来选择输出信号，当en_on=l时，输出值为定时器的开启时问信号，当en_off=1时，输出值为定时器的关闭时间信号，en_time=1时，输出值为系统时间校对信号，其他情况则输出系统时间。

2）SELTIME模块及DELED模块

时间显示的4个数码管采用动态扫描输出，一般只要每个扫描频率超过人的眼睛视觉暂留频率24 Hz以上就可以达到点亮单个显示而不闪烁，扫描频率采用1 kHz信号。动态扫描输出信号通过BCD-七段显示译码器（DELED）连接到数码管显示具体数字。

动态扫描的部分程序如下（其中clk1为扫描时钟输入信号，sel为数码管片选信号）：

2.6 1 Hz标准时钟产生模块

系统时钟输入信号CLK1K为1 kHz信号，它可作为动态扫描时钟信号，如果把1 kHz信号经过3个10分频器FEN10便可得到标准的1 Hz时钟信号，作为系统时间模块的标准秒输入信号。

3 系统部分功能仿真

各部分模块完成后生成图形符号，在MAX+PLUSⅡ中采用图形法把各部分连接起来，如图1所示，对系统部分模块进行功能仿真，图5为系统时间设置仿真图。

在fun功能转换键上升沿来之后，系统时间调整指示灯ledtime变为高平，系统当前处在数字时钟校正状态，set_min是分钟设置端，sel［1..O］是片选信号，led［6..0］为数码管的输入信号，从图中可知符合功能要求。由于篇幅限制，略去其余模块的仿真图。

本系统采用的CPLD芯片为Altera公司的EPF10KLC84-3芯片，用VHDL和MAX+PLUSⅡ10.0软件工具开发。设计输入完成后，进行整体的编译和逻辑仿真，然后进行转换、延时仿真生成配置文件，最后下载至CPLD器件，完成结构功能配置，实现其硬件功能。

4 结束语

该系统运用先进的EDA软件和VHDL，采用模块法白顶向下的设计原则，并借助于CPLD实现时间控制器的设计，充分体现了现代数字电路设计系统芯片化，芯片设计化设计的思想突破了传统电子系统的设计模式，使系统开发速度快、成本低、系统性能大幅度提高。