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。
关于交流耦合和直流恢复的区别
分享PCB设计布局规则与技巧
终身设计PCB开发团队怎样去设计
追问电动汽车动力电池安全隐患的根源
电源抑制比是什么意思？电源抑制比怎么提高？
基于CPLD和VHDL实现时间控制器系统的设计
基于单片机的调光控制器设计
新视智科锂电池隔膜缺陷视觉检测系统，助力企业降本提质增效
货拉拉完成7轮融资：打造互联网物流商城
无线电波频谱是如何工作的？
PowerVR GPU采用PVR3C三重压缩技术来解决问题
ruby到底前景怎么样_ruby前景分析
赛普拉斯TrueTouch单层传感器助力龙旗智能手机触摸屏
不复位MCU继续调试的方法
八代酷睿核显的尴尬,核显遭遇研发瓶颈
基于HBS的分布式智能照明及安防系统的研制
SoC功耗是一个关键的差异化功能
模组化手机玩真的,Lattice、TI名列其中
Qualcomm推出全新骁龙700 骁龙700都有哪些亮点
我国新经济发展和新旧动能转换的引擎 “独角兽”企业摇篮
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。
关于交流耦合和直流恢复的区别
分享PCB设计布局规则与技巧
终身设计PCB开发团队怎样去设计
追问电动汽车动力电池安全隐患的根源
电源抑制比是什么意思？电源抑制比怎么提高？
基于CPLD和VHDL实现时间控制器系统的设计
基于单片机的调光控制器设计
新视智科锂电池隔膜缺陷视觉检测系统，助力企业降本提质增效
货拉拉完成7轮融资：打造互联网物流商城
无线电波频谱是如何工作的？
PowerVR GPU采用PVR3C三重压缩技术来解决问题
ruby到底前景怎么样_ruby前景分析
赛普拉斯TrueTouch单层传感器助力龙旗智能手机触摸屏
不复位MCU继续调试的方法
八代酷睿核显的尴尬,核显遭遇研发瓶颈
基于HBS的分布式智能照明及安防系统的研制
SoC功耗是一个关键的差异化功能
模组化手机玩真的,Lattice、TI名列其中
Qualcomm推出全新骁龙700 骁龙700都有哪些亮点
我国新经济发展和新旧动能转换的引擎 “独角兽”企业摇篮