数字时钟闹钟 FPGA 设计 Verilog Quartus

名称：数字时钟闹钟 FPGA 设计 Verilog Quartus

软件：Quartus

语言：Verilog

开发板/平台：Cyclone IV FPGA开发板

功能介绍

本设计实现一个基于 FPGA 的数字时钟与闹钟系统，使用 Verilog 编写，在 Quartus 环境下完成工程编译与实现。系统以 50MHz 时钟作为输入，通过分频得到 1Hz 计时节拍，完成时、分、秒的正常计时显示，并通过数码管进行时间输出。 设计支持计时模式和闹钟模式切换，可通过按键完成模式设置、时间修改、修改确认以及时分秒选择。计时状态下可设置当前时间，闹钟状态下可设置闹钟时间，并使用 LED 指示当前设置位置和工作模式，便于在开发板上观察操作状态。 当当前时间与闹钟设定时间匹配时，响铃模块输出蜂鸣器控制信号；按键也提供闹钟关闭控制。整体功能覆盖数字钟课程设计、FPGA 综合实验、Verilog 模块化设计练习等常见应用场景。

运行环境

开发语言：Verilog 开发软件：Quartus 目标平台：Cyclone IV FPGA 开发板 工程包含 Quartus 工程文件、Verilog 源码文件、管脚约束文件、编译输出文件以及 ModelSim/NativeLink 相关仿真记录，可用于学习工程编译、模块连接、管脚分配和板级验证流程。

设计思路

系统采用模块化结构设计，顶层模块 Digital_clock 负责连接各个功能模块，并统一管理外部时钟、按键、LED、蜂鸣器和数码管接口。50MHz 系统时钟首先进入分频模块，产生 1Hz 计时脉冲，为秒计数和闹钟比较提供时间基准。 按键输入经过下降沿检测模块处理后再送入控制逻辑，避免直接使用机械按键电平导致的误触发问题。key_0 用于切换计时和闹钟模式，key_1 用于进入设置修改，key_2 用于确认修改，key_3 用于切换时分秒修改项并兼作闹钟关闭控制。模式切换结果通过 led_mode 输出，时间设置状态通过 led_jishi_time 和 led_alarm_time 指示。 计时模块负责当前时间的时、分、秒计数与修改；闹钟设置模块负责闹钟时间寄存和修改；响铃模块将当前时间与闹钟时间进行比较，在匹配条件满足时输出 bell_out 控制蜂鸣器。显示模块将当前模式下需要显示的时间数据送到数码管，通过位选和段选完成动态扫描显示。 这种划分方式使计时、设置、响铃、显示和按键处理相对独立，便于阅读源码、单独调试模块，也方便在课程设计或实验报告中绘制 RTL 结构和说明各模块功能。

模块结构

顶层模块：Digital_clock 主要模块包括： fenping：分频模块，将 50MHz 时钟分频得到 1Hz 计时信号。 key_jitter：按键下降沿检测模块，用于产生稳定的按键触发脉冲。 set_mode：模式设置模块，用于在计时模式和闹钟模式之间切换。 jishi：计时控制模块，完成当前时、分、秒计数与时间设置。 alarm_clock：闹钟设置模块，完成闹钟时、分、秒设置。 Bell：响铃模块，根据当前时间和闹钟时间输出蜂鸣器控制信号。 display：数码管显示模块，完成位选、段选和时间数据显示。

开发板验证

本工程提供 Cyclone IV FPGA 开发板验证内容，并配有 Quartus 管脚约束/分配文件。外部接口覆盖 50MHz 时钟输入、4 个按键输入、计时设置 LED、闹钟设置 LED、秒指示灯、模式指示灯、蜂鸣器输出以及数码管位选和段选信号。 开发板验证重点包括：按键切换计时/闹钟模式、当前时间设置、闹钟时间设置、数码管动态显示、秒指示灯变化以及闹钟匹配后的蜂鸣器输出。管脚分配文件可作为上板编译和硬件连接检查的参考。

演示视频

配套演示视频展示数字时钟工程在开发板上的运行效果，可用于查看数码管显示、按键设置、模式切换和闹钟响铃等实际操作表现。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

设计文档包含工程文件、程序文件、程序编译、RTL 图、管脚分配、仿真图和 Testbench 相关内容。文档图示覆盖整体仿真图、分频模块、按键下降沿检测模块、模式设置、计时控制、闹钟设置、响铃模块和数码管显示模块，可用于理解模块层次、信号连接和仿真验证思路。

部分代码

以下展示顶层模块 Digital_clock 的部分代码，完整源码请下载压缩包查看。

module Digital_clock(
input clk_50M,
input key_0,//模式设置按键（按下低电平）--4'd0:计时，4'd1：闹钟
input key_1,//设置修改（按下低电平）
input key_2,//修改确认（按下低电平）
input key_3,//修改时分秒,闹钟关闭（按下低电平）
output [2:0] led_jishi_time,//设置时间指示灯（低电平亮）
output [2:0] led_alarm_time,//设置闹钟指示灯（低电平亮）
output second_led,//秒指示灯（低电平亮）
output bell_out,//闹钟
output       led_mode,//led显示当前模式（低电平亮）--4'd0:计时，4'd1：闹钟
output [3:0] bit_select,//数码管位选
output [7:0] seg_select//数码管段选
);

wire [3:0] state_mode;//当前模式，4'd0:计时，4'd1：闹钟
wire [7:0] hour_time;//时
wire [7:0] minute_time;//分
wire [7:0] second_time;//秒
wire [7:0] alarm_hour_time;//闹钟时
wire [7:0] alarm_minute_time;//闹钟分
wire [7:0] alarm_second_time;//闹钟秒

wire key_0_negedge;
wire key_1_negedge;
wire key_2_negedge;
wire key_3_negedge;

wire clk_1Hz;
assign second_led = second_time[0];

//分频模块
fenping fenping_Hz(
. clk_50M(clk_50M),
. clk_1Hz(clk_1Hz)
);

//按键下降沿检测模块
key_jitter key_0_jitter(
. clkin(clk_50M),     
. key_in(key_0),
. key_negedge(key_0_negedge)
);

//按键下降沿检测模块
key_jitter key_1_jitter(
. clkin(clk_50M),     
. key_in(key_1),
. key_negedge(key_1_negedge)
);

//按键下降沿检测模块
key_jitter key_2_jitter(
. clkin(clk_50M),     
. key_in(key_2),
. key_negedge(key_2_negedge)
);

//按键下降沿检测模块
key_jitter key_3_jitter(
. clkin(clk_50M),     
. key_in(key_3),
. key_negedge(key_3_negedge)
);

//模式设置
set_mode i_set_mode(
. clk_50M(clk_50M),
. set_mode_key(key_0_negedge),
. led_mode(led_mode),//led显示当前模式
. state_mode(state_mode)//当前模式，4'd0:计时，4'd1：闹钟
);

//计时
jishi i_jishi(
. clk_50M(clk_50M),
. clk_1Hz(clk_1Hz),
. state_mode(state_mode),//当前模式，4'd0:计时，4'd1：闹钟

. set_time_key(key_1_negedge),//设置时间
. confirm_key(key_2_negedge),//确认
. change_time_key(key_3_negedge),//设置时分秒
. led_jishi_time(led_jishi_time),
. hour_time(hour_time),//时
. minute_time(minute_time),//分
. second_time(second_time)//秒
);

//闹钟设置
alarm_clock i_alarm_clock(

. clk_50M(clk_50M),
. state_mode(state_mode),//当前模式，4'd0:计时，4'd1：闹钟

. set_time_key(key_1_negedge),//设置时间
. confirm_key(key_2_negedge),//确认
. change_time_key(key_3_negedge),//设置时分秒
. led_alarm_time(led_alarm_time),

. alarm_hour_time(alarm_hour_time),//时
. alarm_minute_time(alarm_minute_time),//分
. alarm_second_time(alarm_second_time)//秒
);

//响铃
Bell i_Bell(
. clk_50M(clk_50M),
. clk_1Hz(clk_1Hz),
. clear_alarm(key_3_negedge),//关闭闹钟键(key3)
. alarm_hour_time(alarm_hour_time),//闹钟时
. alarm_minute_time(alarm_minute_time),//闹钟分
. alarm_second_time(alarm_second_time),//闹钟秒
	
. hour_time(hour_time),//时
. minute_time(minute_time),//分
. second_time(second_time),//秒	

. bell_out(bell_out)//蜂鸣器,为低电平时，蜂鸣器响
);

// ... 以下代码略，完整源码请下载压缩包查看

代码文件（付费下载）