FPGA电子时钟设计

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06 Apr 2026 — 7 min read

1.设计目标

- 实现24小时制数字时钟的基本计时功能（时:分:秒）

- 通过8位数码管显示时间，格式为 HH.MM.SS

- 支持按键调整时间（秒、分、时分别可调）

- 拓展：本设计实现闹钟功能，可设置闹钟时间并在指定时间触发蜂鸣器报警

2.开发流程

2.1开发环境

| 目标器件 | EP4CE10F17C8 (Altera Cyclone IV) |

| 开发工具 | Quartus II 13.0 |

| 系统时钟 | 50MHz晶振 |

| 编程语言 | Verilog HDL |

2.2架构设计

为了提供一种最简单直观的显示，开发板上提供了一个7段8位共阳极数码管电路，为了减少对FPGA引脚资源的占用，开发板上的数码管采用串行移位寄存器芯片将串行数据转化为16位并行数据后进行驱动。Cyclone IV E通过3根数据线，连接到两片级联的串行移位器芯片74HC595上，再由74HC595将每次16位串行的数据转化为16位并行的数据，分别用以驱动7段8位数码管的段选和位选。

top顶层模块，负责各子模块的连接与信号分配（top.v）

Project_Segled2 数字时钟核心模块，包含计时、显示、按键处理、闹钟等功能（ Project_Segled2.v）

HC595_Driver|74HC595移位寄存器驱动，实现串行数据输出（HC595_Driver.v ）

2.3顶层IO

module top( input Clk, // 50MHz系统时钟 input Rst_n, // 复位信号（低电平有效） input KEY1, // 模式切换/长按进入闹钟设置 input KEY2, // 数值递增按键 output SH_CP, // 74HC595移位时钟 output ST_CP, // 74HC595锁存时钟 output DS, // 74HC595串行数据 output BEEP // 蜂鸣器输出 );

2.4数字时钟核心模块 (Project_Segled2.v)

2.4.1 按键消抖

采用计数器消抖方式，消抖时间约20ms：

parameter DB_CNT_MAX = 20'd100; // 消抖计数最大值 // 两级同步 + 计数消抖 always @(posedge CLK_50M or negedge RST_N) begin     if(!RST_N) begin         k1_sync0 <= 1'b1; k1_sync1 <= 1'b1;     end else begin         k1_sync0 <= FLAG1; k1_sync1 <= k1_sync0;     end end

设计特点：

- 采用两级触发器同步，防止亚稳态

- 检测高→低电平翻转，产生单周期脉冲

- 支持长按检测（1秒），用于进入闹钟设置模式

2.4.2 计时

基于50MHz时钟进行分频，实现秒、分、时的计时：

// 关键参数 parameter SET_TIME_1S = 'd50_000_000;  // 1秒计数值 parameter SIXTY = 'd60;                 // 60进制 parameter TWENTYFORE = 'd24;            // 24进制 // 1秒定时器 always @ (posedge CLK_50M or negedge RST_N) begin     if(!RST_N)         cnt_1s <= 28'd0;     else if(set_mode != 2'd0)  // 调整模式下暂停         cnt_1s <= 28'd0;     else if(cnt_1s == SET_TIME_1S - 1)         cnt_1s <= 28'd0;     else         cnt_1s <= cnt_1s + 28'b1; end

计时进位逻辑：

- 秒：0-59循环，满60进位

- 分：0-59循环，满60进位

- 时：0-23循环，满24复位

2.4.3 时间调整模式状态机

通过按键切换四种工作模式：

| 模式值 | 模式名称 | 功能描述 |

| 0 | 正常模式 | 时钟正常走时 |

| 1 | 调秒模式 | 秒位闪烁，可调整秒 |

| 2 | 调分模式 | 分位闪烁，可调整分 |

| 3 | 调时模式 | 时位闪烁，可调整时 |

always @(posedge CLK_50M or negedge RST_N) begin     if(!RST_N)         set_mode <= 2'd0;     else if(mode_pulse && !alarm_set_mode && !alarm_triggered)         set_mode <= set_mode + 2'd1;  // 0→1→2→3→0 循环 end

2.4.4 闹钟功能

闹钟设置流程：

- 长按KEY1（1秒）进入闹钟设置模式

- 短按KEY1切换时/分设置位置

- 按KEY2递增当前设置值

- 再次长按KEY1退出设置并使能闹钟

// 闹钟触发检测 always @(posedge CLK_50M or negedge RST_N) begin     if(!RST_N)         alarm_triggered <= 1'b0;     else if(alarm_triggered && (mode_pulse || inc_pulse))         alarm_triggered <= 1'b0;  // 任意按键取消     else if(alarm_enabled && !alarm_set_mode &&             cnt_h == alarm_h && cnt_m == alarm_m && cnt_s == 6'd0)         alarm_triggered <= 1'b1;  // 时间匹配，触发闹钟 end

报时特性：

- 闪烁6次（300ms周期）

- 蜂鸣器间歇发声

2.4.5 数码管显示

采用动态扫描方式驱动8位数码管：

// 显示格式: HH-MM-SS // 位置分配: 7-6-5-4-3-2-1-0 //          时十位-时个位-横线-分十位-分个位-横线-秒十位-秒个位 // 1ms扫描周期 parameter SET_TIME_1MS = 16'd50_000; // 段码查找表（共阴极数码管） parameter SEG_CODE_0 = 8'b1100_0000,           SEG_CODE_1 = 8'b1111_1001,           ...           SEG_CODE_9 = 8'b1001_0000,           SEG_CODE_DASH = 8'b1011_1111;  // 横线"-"

二进制转BCD算法（Double Dabble）：

// 将6位二进制数转换为2位BCD for(i = 5; i >= 0; i = i - 1) begin     if (s_ones >= 4'd5) s_ones = s_ones + 4'd3;     if (s_tens >= 4'd5) s_tens = s_tens + 4'd3;     s_tens = {2'b00, s_tens[2:0], s_ones[3]};     s_ones = {2'b00, s_ones[2:0], cnt_s[i]}; end

2.4.6 蜂鸣器控制

生成约2kHz方波驱动蜂鸣器：

parameter BEEP_FREQ_CNT = 16'd12500;  // 50MHz/12500/2 = 2kHz always @(posedge CLK_50M or negedge RST_N) begin     if(!RST_N)         beep_cnt <= 16'd0;     else if(beep_cnt >= BEEP_FREQ_CNT - 1) begin         beep_cnt <= 16'd0;         beep_tone <= ~beep_tone;     end else         beep_cnt <= beep_cnt + 16'd1; end

2.5 74HC595驱动模块 (HC595_Driver.v)

2.5.1 74HC595芯片简介

74HC595是一款8位串入并出移位寄存器，具有以下特点：

- 串行数据输入，8位并行数据输出

- 具有输出锁存功能

- 可级联扩展

2.5.2 引脚功能

| 引脚 | 名称 | 功能 |

|------|------|------|

| DS | 数据输入 | 串行数据输入端 |

| SH_CP | 移位时钟 | 上升沿移入数据 |

| ST_CP | 锁存时钟 | 上升沿锁存数据到输出 |

2.5.3 驱动时序设计

parameter DATA_WIDTH = 16;  // 16位数据（8位段码 + 8位位选） parameter CNT_MAX = 4;      // 分频系数 // 移位时钟生成 always@(posedge Clk or negedge Rst_n)     if(!Rst_n)         divider_cnt <= 16'd0;     else if(divider_cnt == CNT_MAX)         divider_cnt <= 16'd0;     else         divider_cnt <= divider_cnt + 1'b1; assign sck_pluse = (divider_cnt == CNT_MAX);

2.5.4 时序状态机

case(SHCP_EDGE_CNT)     5'd0: begin SH_CP <= 1'b0; ST_CP <= 1'b1; DS <= r_data[15]; end     5'd1: begin SH_CP <= 1'b1; ST_CP <= 1'b0; end     5'd2: begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[14]; end     5'd3: begin SH_CP <= 1'b1; end     // ... 依次移出16位数据     5'd30: begin SH_CP <= 1'b0; DS <= r_data[0]; end     5'd31: begin SH_CP <= 1'b1; end endcase

3 系统功能说明

3.1 操作说明

| 操作 | 按键 | 功能说明 |

|------|------|----------|

| 模式切换 | 短按KEY1 | 正常→调秒→调分→调时→正常循环 |

| 数值调整 | 按KEY2 | 在调整模式下，递增当前选中位 |

| 进入闹钟设置 | 长按KEY1（1秒） | 进入闹钟时间设置模式 |

| 切换闹钟设置位 | 短按KEY1 | 在闹钟设置模式下切换时/分 |

| 设置闹钟值 | 按KEY2 | 递增闹钟时间 |

| 退出闹钟设置 | 长按KEY1（1秒） | 保存并使能闹钟 |

| 取消闹钟 | 按任意键 | 闹钟响时按任意键停止 |

3.2 状态指示

| 状态 | 显示效果 |

|------|----------|

| 正常计时 | 全部数字稳定显示 |

| 调秒模式 | 秒位闪烁（250ms周期） |

| 调分模式 | 分位闪烁（250ms周期） |

| 调时模式 | 时位闪烁（250ms周期） |

| 闹钟设置 | 被调整位闪烁，秒显示00 |

| 整点报时 | 全部闪烁6次（300ms周期），蜂鸣器间歇响 |

| 闹钟触发 | 全部快速闪烁（125ms周期），蜂鸣器持续响 |

4附录

完整代码如下

https://github.com/acousma-az/FPGA_digital_clock