數字時鐘在FPGA設計中較為常見，其主要包含時鐘、分鐘、秒鐘，以及必備的校時功能，當然還可以根據需要加入年、月，日，周，星期或者鬧鐘設置等元素。

在這里，我們給小伙伴分享如何通過FPGA實現顯示年、月、日、周、時、分、秒且能精準校時的數字時鐘。

一、設計任務

通過FPGA編程驅動實時時鐘芯片DS1340Z，實現時間寫入和讀出的功能，驅動旋轉編碼器獲取操作信息，根據編碼器操作信息控制數字時鐘的邏輯（包括時間調節，顯示控制），最后驅動數碼管顯示數字時鐘信息。

二、設計準備

硬件：小腳丫FPGA核心板、時鐘芯片DS1340Z、旋轉編碼器、數碼管

軟件：Quartus Prime/Lattice Diamond

三、設計結構

四、設計原理

1.實時時鐘芯片DS1340Z模塊

實時時鐘芯片DS1340Z模塊電路圖如下（上拉電阻未顯示），模塊電路中有電池座，電池電壓范圍為1.3V~5.5V，當安裝電池后底板掉電不影響實時時鐘芯片的運行，重新上電后讀取實時時鐘數據。另外，芯片內部集成了起振電阻電容，只需外置時鐘晶振32.768KHz直接連接即可。

2.旋轉編碼器模塊

機械增量式旋轉編碼器，旋轉過程中提供周期性輸出，不能定位絕對位置，只能用于感知運動方向和增量，其電路圖如下，本設計所使用的旋轉編碼器為EC11系列的，支持按動開關，共有5個管腳：

1、2管腳支持按動開關，如同獨立按鍵連接方式。

3、4、5管腳支持旋轉編碼，4腳為公共端，3、5管腳分別為旋轉編碼器的A、B相輸出，如上圖所示，4腳接地，3、5管腳則需接上拉電阻，同時為了降低輸出脈沖信號的抖動干擾，增加了電容到地做硬件去抖。

五、設計驅動過程

1.DS1340Z驅動設計

DS1340Z支持I2C通信400KHz快速模式同時兼容100KHz的標準模式，還有兩種模式下時序中的各種時間參數，本設計中，通過分頻得到400KHz的時鐘。

I2C時序基本單元（啟動、停止、發送、接收、發應答、讀應答）協議里統一的，所以所以基本單元狀態的設計也是不需要調整的。

啟動時序狀態設計程序實現同智能接近系統設計實驗。

發送單元和讀應答單元合并，時序狀態設計程序實現同智能接近系統設計實驗。

接收單元和寫應答單元合并，時序狀態設計程序實現同智能接近系統設計實驗。

停止時序狀態設計程序實現同智能接近系統設計實驗。

DS1340Z芯片有很多寄存器，用于存儲實時時鐘的時間信息，同時芯片支持連續讀、寫寄存器操作（寄存器地址自加1），其設計程序實現如下：

連續寫寄存器：

連續讀寄存器：

上面兩段程序就是對于DS1340Z芯片的兩種操作，調時間和讀時間，對于時鐘來說因為有電池供電，實時時鐘一直都處于工作狀態，當給FPGA上電時只需要讀時間即可，只有遇到時間不對的時候才需要調時間，所以DS1340Z驅動模塊平時都在循環讀取時間，所以如果將調時間和讀時間的時序操作融合到同一個狀態下時，對于cnt_main要加以控制，cnt_main初值為12，且運行軌跡在12~32之間，控制程序調整如下：

上面set_flag為時間調整標志位，只有按動編碼器在調時間模式時需要用到寫時間數據的操作流程，可以根據按鍵脈沖置位set_flag并自鎖，每次完成寫入操作后再將set_flag復位。程序實現如下：

模塊端口如下：

到這里就完成了萬年歷中DS1340Z模塊的驅動設計，宏觀上講，該模塊的功能可以這樣描述：

正常模式下循環讀取時間信息，并把時間數據輸出

由旋轉編碼器按動脈沖信號key_set觸發進行一次寫操作，用于調節時間

每次寫操作調節時間的時間數據由其他模塊提供

2.旋轉編碼器驅動設計

機械增量式旋轉編碼器的原理示意圖，中間圓形齒輪連接到旋轉編碼器的公共端4管腳，A、B兩個觸點連接到旋轉編碼器的A、B相輸出端3、5管腳，當進行旋轉操作時，A、B觸點會先后接觸和錯開圓形齒輪，從而導致A、B相輸出信號產生相位不同的脈沖信號：

順時針旋轉時，A觸點超前于B觸點接觸和錯開圓形齒輪，A信號脈沖相位超前

逆時針旋轉時，B觸點超前于A觸點接觸和錯開圓形齒輪，B信號脈沖相位超前

對A信號采樣程序實現如下（對B信號一樣）：

然后簡單去抖處理程序實現如下（對B信號一樣）：

檢測A信號的邊沿程序實現如下：

最后根據A信號邊沿與B信號的狀態組合判定旋轉的信息。

旋轉脈沖輸出程序實現如下：

通過上面程序最終實現了左旋右旋的脈沖輸出，脈沖的脈寬等于系統時鐘的周期。

3.模式控制：

本設計要實現8個模式（常態、調年、調月、調日、調周、調時、調分、調秒），對8個狀態編碼，常態—0、調秒—1、調分—2、調時—3、調周—4、調日—5、調月—6、調年—7，通過按動旋轉編碼器切換，按照常識調時間從大到小調節，先調節年份最后調秒鐘，所以我們這8個狀態的狀態機跳轉順序是固定的（0→7→6→5→4→3→2→1→0），依次循環跳轉，程序實現如下：

4.調時控制：

調時控制在不同的調節模式對不同時間進行調整，我們分別以常態模式和調秒模式為例進行分析。時間調節要以當時的時間為基礎，常態模式下不需要調整任何時間，但是可以將實時時鐘讀出的時間數據賦給調節變量，這樣等跳轉到調節模式時對調節變量的控制就是以當時的時間為基礎了，程序實現如下：

調秒模式與其他調節模式操作一樣，不同的是調節的規則不同，例如秒和分的調節范圍為0~59，小時調節范圍0~11或0~23，日期調節范圍需要考慮年和月的值（1、3、5、7、8、10、12月范圍1~31，4、6、9、11月范圍1~30，2月平年范圍1~28，2月閏年范圍1~29），周調節范圍1~7，月調節范圍1~12，年調節范圍0~99。對秒鐘數據進行調節，程序實現如下：

5.顯示控制:

首先使用8位數碼管分兩頁顯示時鐘數據，第一頁顯示年月日周，第二頁顯示時分秒。任何一項時間選項都由兩位數碼管顯示，每頁最多顯示4個時間選項，我們可以使用4位的變量disp_en[3:0]控制4個時間選項的點亮或熄滅，disp_en[3]控制最左側兩個數碼管，disp_en[0]控制最右側兩個數碼管，我們分別以常態模式和調秒模式為例進行顯示使能控制的分析。常態模式下，轉動編碼器控制顯示頁碼，兩個頁碼對應的顯示控制，程序實現如下：

調秒模式下，小時和分鐘數碼管點亮，秒鐘閃爍顯示，轉動編碼器時秒鐘強制顯示，最后按動旋轉編碼器切到常態模式時，時分秒數碼管都回復顯示，程序實現如下：

數碼管與時間選項是對應關系，每個選項對應兩位數碼管，程序實現如下：

時鐘顯示分兩頁實現，我們以最右側兩個數碼管顯示內容為例，這兩位數碼管在第一頁中顯示周數據，在第二頁中顯示秒數據，那么我們怎么控制顯示內容呢？分析，萬年歷8中模式，

常態模式下，顯示讀取的實時時鐘數據，具體顯示周還是秒再次細化

? disp_en等于4'b1111的時候，對應第一頁，顯示周數據

? disp_en等于4'b0111的時候，對應第二頁，顯示秒數據

常態模式下，根據disp_en選擇顯示周數據還是秒數據，程序實現如下：

調節模式下，顯示寫入的調節時鐘數據，具體顯示周還是秒再次細化

? 調年、調月、調日、調周 狀態下（state>=3），對應第一頁，顯示周數據

? 調時、調分、調秒 狀態下（state<3），對應第二頁，顯示秒數據

調節模式下，根據state選擇顯示周數據還是秒數據，程序實現如下：

最后根據常態模式還是調節模式控制數碼管顯示實時時鐘數據還是調節時鐘數據

根據state選擇顯示實時時鐘數據還是調節時鐘數據，程序實現如下：

到這里為止，就完成了數字時鐘的設計，當然在本設計中，可以通過簡化只留下時分秒及調時功能，實現24小時計時，省去對于頁的判斷。同時對于旋轉編碼器有難度的，可以改為按鍵調時。有興趣的小伙伴可以動手試試哦~