文章	评论	标签
16	20	12

前言

最近在北邮沉迷学习数电，第一个验收的实验是实现循环自动计数的计数器。就这次实验写一个小结回顾，也希望能给后来人启发。

实验要求

完成一个计数值为00~19的计数器的设计和仿真，并下载到实验板上验证。要求如下：

计数值每秒加1，加到19后回0
BTN0 为暂停键，按一下计时停止，再按一下计时继续，要求为 BTN0 设计防抖电路
在数码管 DISP1 和 DISP0 上显示计数结果
BTN7 为复位键，无论何时按下计数值都回到 00
实验板上时钟选择 100Hz

系统分析

输入输出端口设计

首先，我们先设计系统的输入和输出。

输入显然有两个：暂停按钮 btn0 和复位按钮 reset。

输出是数码管，但是我们发现数码管共用一个输入端口，所以为了实现多位数字显示，我们需要用扫描的方式显示。于是我们定义输出为 seg ，位选为 cat。

我们可以定义整个顶层模块如下：

module segCounter (
    input wire clk,

    input wire btn0,
    reset,
    output reg [6:0] seg,
    output reg [7:0] cat
);

系统模块设计

按键消抖模块

由于按键动作的时刻和按下时间长短随机，并且存在开关簧片反弹导致电平抖动，我们需要设计一个按键消抖模块。一般抖动时间小于 20ms ，所以我们只需要检测高电平持续的长度大于20ms（实验里取30ms为检测时间）时再置高电平即可。

可见，btn0 是原始的按键输入波形， cnt_3 的作用是基于 clk 实现计数，每当 clk 到上升沿时，若高电平则+1，计数到3后则 stable_flag 置高电平，同时 press 产生一个周期的高电平。

cnt_3 为什么要计数到3呢？因为 clk 频率是 100Hz ，频率是周期的倒数，所以简单换算如下： $f = \frac{1}{T} \Rightarrow T = \frac{1}{f} = \frac{1}{100} s = 10 m s$ 每隔10ms clk 来一个上升沿， cnt_3 +1，则当 cnt_3 为3时显然时间就过去了30ms。

消抖模块对应代码如下：

  // 消抖
  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      cnt_3 <= 3'b000;
    end else if (cnt_3 == 3'b011) begin
      cnt_3 <= 3'b000;
    end else if (btn0 == 1'b1) begin
      cnt_3 <= cnt_3 + 3'b001;
    end else begin
      cnt_3 <= 3'b000;
    end
  end

  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      stable_flag <= 1'b0;
    end else if (btn0 == 1'b1 && cnt_3 == 'd3) begin
      stable_flag <= 1'b1;
    end else if (btn0 == 1'b0) begin
      stable_flag <= 1'b0;
    end
  end

  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      press <= 1'b0;
    end else if (stable_flag == 1'b0 && cnt_3 == 'd3) begin
      press <= 1'b1;
    end else begin
      press <= 1'b0;
    end
  end

复位功能设计

我们采用异步复位（ posedge clk or posedge reset 里面用 or ），当reset按下时就立刻执行复位操作。因为复位功能显然优先级最高，所以所有 always 块内我们都先验证 reset 的状态。

数码管的显示

如图，要使得共阴极数码管点亮，需要改变的是阳极的状态。而阳极是多个数码管共用的，所以我们借助人 视觉暂留 的特点，用扫描的方式显示所有数字（类似显示屏的原理）。

可见，我们使用 select 区分当前显示的是十位还是个位。译码器负责转换数字到数码管阳极状态的映射关系，扫描控制电路负责控制不同位数数码管的点亮与否。

代码实现

最后，整个代码如下：

module segCounter (
    input wire clk,

    input wire btn0,
    reset,
    output reg [6:0] seg,
    output reg [7:0] cat
);
  reg [2:0] cnt_3;
  reg [6:0] cnt_100;
  reg stable_flag, press, ctr, select;
  reg [3:0] cnt1;
  reg [3:0] cnt2;
  reg [3:0] bin;
  // 消抖
  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      cnt_3 <= 3'b000;
    end else if (cnt_3 == 3'b011) begin
      cnt_3 <= 3'b000;
    end else if (btn0 == 1'b1) begin
      cnt_3 <= cnt_3 + 3'b001;
    end else begin
      cnt_3 <= 3'b000;
    end
  end

  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      stable_flag <= 1'b0;
    end else if (btn0 == 1'b1 && cnt_3 == 'd3) begin
      stable_flag <= 1'b1;
    end else if (btn0 == 1'b0) begin
      stable_flag <= 1'b0;
    end
  end

  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      press <= 1'b0;
    end else if (stable_flag == 1'b0 && cnt_3 == 'd3) begin
      press <= 1'b1;
    end else begin
      press <= 1'b0;
    end
  end
  // 暂停标志
  always @(posedge press or posedge reset) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      ctr <= 1'b0;
    end else begin
      ctr <= ~ctr;
    end
  end
  // 时钟倍频（cnt_100 clk计数）
  always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      cnt_100 <= 7'b000_0000;
    end else if (cnt_100 == 7'b110_0100 && ctr == 1'b0) begin
      cnt_100 <= 7'b000_0000;
    end else if (ctr == 1'b0) begin
      cnt_100 <= cnt_100 + 7'b000_0001;
    end
  end
  // 显示（cnt1 个位，cnt2 十位）
  always @(posedge clk, posedge reset) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      cnt1 <= 0;
      cnt2 <= 0;
    end else if (cnt_100 == 7'b110_0100 && ctr == 1'b0) begin
      if (cnt1 == 4'b1001) begin
        cnt1 <= 0;
        if (cnt2 == 0) cnt2 <= cnt2 + 1;
        else cnt2 <= 0;
      end else begin
        cnt1 <= cnt1 + 1;
      end
    end
  end
  // 扫描
  always @(posedge clk, posedge reset) begin
    if (reset == 1'b1) begin
      cat <= 8'b1111_1111;
      bin <= 0;
    end else begin
      select <= ~select;
      if (select == 1'b0) begin
        cat <= 8'b1111_1110;
        bin <= cnt1;
      end else begin
        cat <= 8'b1111_1101;
        bin <= cnt2;
      end
    end
  end
  // 译码
  always @(bin) begin
    case (bin)
      4'd0: seg = 7'b1111110;
      4'd1: seg = 7'b0110000;
      4'd2: seg = 7'b1101101;
      4'd3: seg = 7'b1111001;
      4'd4: seg = 7'b0110011;
      4'd5: seg = 7'b1011011;
      4'd6: seg = 7'b1011111;
      4'd7: seg = 7'b1110000;
      4'd8: seg = 7'b1111111;
      4'd9: seg = 7'b1111011;
      default: seg = 7'b0000000;
    endcase
  end

endmodule