74ls160設計數字秒表方案匯總（一）

　　現場可編程門陣列（簡稱 FPGA）是20 世紀 80 年代中期出現的高密度可編程邏輯器件，采用SRAM開關元件的 FPGA 是易失性的，每次重新加電，FPGA 都要重新裝入配置數據。突出優點是可反復編程，系統上電時，給 FPGA 加載不同的配置數據，即可令其完成不同的硬件功能。這種配置的改變甚至可以在系統的運行中進行，實現系統功能的動態重構。

　　“在系統可編程”（簡稱 ISP）是指對器件、電路或整個電子系統的邏輯功能可隨時進行修改或重構的能力，支持 ISP 技術的可編程邏輯器件稱為在系統可編程邏輯器件，它不需要專門的編程器，利用計算機接口和一根下載電纜就可以對器件編程了。

　　1、總體結構

　　本文利用 EDA 技術中的 Max + plus Ⅱ作為開發工具，設計了一款基于 FPGA 的數字式秒表 ，并下載到在系統可編程實驗板的 EPF10K10LC84 - 4 器件中測試實現。其總體結構框架如圖1 所示。圖中的信號源是由實驗板上的時鐘信號經分頻而得到的 0. 1 秒信號；控制計數部分由一個計數模塊 ctrl 構成，用來實現計時功能，鎖存器模塊 latch 用來對數據進行鎖存 ;而譯碼器模塊 DISP 用來對計數結果進行掃描譯碼；數碼管用來顯示秒表的工作結果。

　　2、電路設計

　　圖2為數字式秒表的模塊示意圖。輸入信號有三個，分別是 K1 ， K2 和 CLK;輸出信號有四個，分別是 LED ，QH［ 6. 。 0 ］ ，QL［6. 。 0 ］ 及 Q［ 6. 。 0 ］。其中 K1 為“開始/ 清零鍵”，接的是控制計數部分的整體清零端，該清零信號低電平有效。要求按下 K1 時計時開始 ，再按一下，停止計時，恢復到零狀態。K2 為“固定顯示鍵”，接的是鎖存器 74373 的允許鎖存端 G，該信號是高電平有效。在計時過程中，按下 K2 時，鎖存數據 ，顯示固定 ，但計時仍繼續 ;按第二下時 ，顯示從新時間開始。CLK 為時鐘信號 ，必須是秒表計時所需的最小單位 0. 1S。

　　QH［6. 。 0 ］ ，QL［6. 。 0 ］ 及 Q［6. 。 0 ］ 接三個數碼管，分別表示秒十位，秒個位和秒十分位。LED 接發光二極管用來表示秒表的分位，當秒表計時超過59. 9 秒時 LED 燈亮，且能持續表示到 1分 59. 9 秒，然后燈滅，同時數碼管重新計時顯示，即該數字式秒表的計時范圍從0 到2 分鐘。基于原理圖編輯和VHDL語言，并使用從上到下的設計方法設計的秒表，其具體的線路構成如圖3 所示。

　　在總體電路圖中，根據設計要求，輸入信號 K1、K2 應采用脈沖開關。由于實驗板上除了撥動開關就是瞬時的按鍵開關，且按鍵開關平時都呈高電平，按一下為低電平。故在實際測試時采用了撥動開關來模擬脈沖開關。根據設計要求將K1、K2 平時置于相應的高、低電平狀態，需要清零或固定顯示時再將它們分別置于相應的位置上即可。

　　3、模塊設計

　　在設計電路時，要遵循從上到下的設計原則。首先從系統設計入手，在頂層進行功能劃分和結構設計，頂層模塊中的每個次層模塊均可完成一個較為獨立的功能，次模塊在調試成功后可生成一個默認符號，以供上一層模塊調用。

　　3. 1、時鐘信號模塊 cnt100

　　由于最終的設計結果要下載到可編程邏輯器件中測試，而承載該芯片的“在系統”可編程實驗板上最小也是1 kHz 的時鐘源，而秒表計時所需的最小單位為 0. 1s，故采用 2 片 74160，利用并行輸入方式，接成 100 進制計數器（00～99），將 1 kHz 信號變成 10 Hz （即 0. 1 s），從而達到分頻的目的。編譯通過后創建的默認符號為 cnt100，其輸入信號為 CLK，輸出信號為 CQ（即高位的進位端 RCO） 。

　　3. 2、控制計時模塊 ctrl

　　從 Maxplus2 器件庫中調用 3 片 74160，采用串行時鐘方式，連接成六百進制計數器（即 0～599），用來表示秒位。將 3 片 74160 的清零端 CLR 連接在一起，用來做秒表的整體清零端。再調用器件庫中的 J K觸發器，連接相應控制端形成 T′觸發器，將六百進制計數器的進位信號接 T′觸發器的時鐘端。平時其輸出端 Q 保持低電平，所接發光二極管不亮 ;當計時到 59. 9 秒時，由于有進位信號到來，因此時鐘端出現脈沖下降沿，觸發器翻轉，Q 由低電平變為高電平，發光二極管點亮，表示已計時到 1 分鐘。再計到 1分 59. 9 秒時，過 1 秒，燈滅，同時數碼管重新計時顯示。該控制模塊為圖 3 中 ctrl 模塊。

　　3. 3、鎖存器模塊 latch

　　因為秒表設計中要求在計時過程中能隨時固定顯示時間，而計時仍然繼續，所以要用到鎖存器。在本例中適宜采用 CD4511 芯片，因為它集合了鎖存、譯碼和驅動功能。但由于 Maxplus2 器件庫中沒有此類芯片，故以鎖存器 74373 外加譯碼器 7447 （DISP） 代替。在設計時從器件庫中調用 2 片 74373 （8 位鎖存器）， 將它們的 OEN 統統接低電平，允許數據輸出。G端接一起，作為允許數據鎖存端 （高電平有效） 。鎖存器部分編譯通過后創建的默認符號見圖 3 中的 latch 模塊，輸入信號有四個，分別是 DH［ 3. 。 0 ］ 、DL［3. 。 0 ］ 、D［3. 。 0 ］ 及 G，輸出有三個，分別是 QH［3. 。 0 ］ 、QL［3. 。 0 ］及 Q［3. 。 0 ］ 。

　　3. 4、譯碼顯示模塊 DISP

　　譯碼器可直接從器件庫中調用 7447 （共陽極譯碼器），將它的控制端按要求接好，形成默認符號 ;也可用 VHDL 語言編程，將 4 位 BCD 碼譯成 7 段數碼管的編碼（0～9），現采用 VHDL 語言編程，編譯無誤后創建默認文件符號 DISP 以供上層電路調用。顯示部分直接采用實驗板上的 3 個共陽極數碼管，不用將譯碼器的輸出 a～g 具體連線到實驗板上數碼管的 7 個段，只需將其輸出端口定義到可用作數碼管顯示的器件的 I/ O 引腳上即可。7 段數碼管譯碼器源程序如下

　　4、編程及測試

　　為設計項目選定 FLEX10K系列中的 EPF10K10LC84 - 4 器件，鎖定頂層設計中各端口所對應的引腳號，并編譯通過。然后對器件編程，使用 ByteBlaste 下載電纜把項目以在線配置的方式下載到 ISP 實驗板的 EPF10K10LC84 - 4 器件中，按相應的 K1、K2 鍵，觀測數碼管及發光二極管的狀態，發現顯示結果正確。該數字式秒表具有清零功能，能夠在計時過程中隨時停止計時，恢復到初始狀態。且具有鎖存/ 計時功能，能在計時過程中通過按“固定顯示鍵”，將顯示固定住，而計時仍繼續 ;再按下鍵，顯示從新時間開始。實驗證明該秒表工作正常，基本上已達到了預期的設計要求。

　　5、結束語

　　在Max + plus Ⅱ開發環境下，采用自頂向下的設計方法有利于在早期發現結構設計中的錯誤，避免不必要的重復設計。再結合基于 FPGA 的“在系統”可編程實驗板，輕輕松松就能實現各種電子產品的設計，現場觀察實驗測試結果。大大縮短了產品的設計周期和調試周期，提高了設計的可靠性和成功率，充分體現了可編程邏輯器件在數字電路設計中的優越性。