数字时钟闹钟 FPGA 设计 Verilog Quartus（2）

名称：数字时钟闹钟 FPGA 设计 Verilog Quartus（2）

软件：Quartus

语言：Verilog

开发板/平台：Cyclone IV FPGA开发板

功能介绍

本项目实现一个基于 FPGA 的多功能数字时钟，采用 Verilog 编写，在 Quartus 环境下完成工程设计、编译与仿真。系统以 50MHz 时钟为输入，完成时、分、秒计时，并通过 6 位数码管显示当前时间，适合作为 FPGA 时序逻辑、状态控制、数码管显示和综合工程训练案例。 设计支持正常计时、时间设置、闹钟时间显示、闹钟时间设置等工作模式。用户可以通过模式按键切换当前功能，通过小时和分钟调整按键修改当前时间或闹钟时间，并通过 LED 输出观察当前模式状态。 工程还支持 12 小时制与 24 小时制显示切换，并包含闹铃触发逻辑。当当前计时时间与设定闹钟时间一致时，闹铃使能信号有效，显示模块可结合该信号进行提示显示。整体功能覆盖数字钟课程设计中常见的计时、校时、闹钟、显示和开发板验证需求。

运行环境

开发语言：Verilog 开发软件：Quartus 适用硬件：Cyclone IV FPGA 开发板 工程顶层：Digital_clock 主要文件：Digital_clock.v、fenping.v、set_mode.v、jishi.v、alarm_clock.v、Bell.v、display.v、Digital_clock.qsf

设计思路

系统以 50MHz 时钟作为全局输入，通过分频模块生成 1Hz 计时节拍，作为秒计数递增的基础。顶层模块负责连接模式控制、正常计时、闹钟计时、闹铃判断和数码管显示，各模块之间通过时、分、秒信号以及 state_mode 状态信号协同工作。 模式控制部分根据 alarm_SW 和 MODE_SW 组合产生当前工作状态，并通过 led_mode 输出进行指示。正常计时模块在计时模式下按 1Hz 节拍运行，在设置时间模式下响应 AH_key 和 AM_key 对小时、分钟进行修改；闹钟模块采用相似的调整思路，用于保存闹钟时分秒。 闹铃判断模块将当前时间与闹钟时间进行比较，当时间匹配后输出 bell_out 使能信号，并提供约 5 秒的闹铃有效时间。显示模块根据当前模式选择显示正常时间或闹钟时间，同时结合 SW_hour 实现 12 小时制和 24 小时制切换，最终驱动 6 位低电平点亮数码管输出。

模块结构

顶层模块为 Digital_clock，主要包含以下功能模块： fenping：分频模块，将 50MHz 输入时钟分频得到 1Hz 计时节拍。 set_mode：模式设置模块，根据 MODE_SW、alarm_SW 产生当前工作模式 state_mode，并输出 led_mode 状态指示。 jishi：正常计时模块，完成时、分、秒计数，并支持在设置模式下通过按键修改小时和分钟。 alarm_clock：闹钟设置模块，用于保存和调整闹钟时、分、秒。 Bell：闹铃判断模块，比较当前时间与闹钟时间，输出闹钟使能信号 bell_out。 display：显示模块，根据当前模式、12/24 小时制选择和闹铃状态驱动 HEX0 至 HEX5 数码管显示。

开发板验证

本设计已配置面向 Cyclone IV FPGA 开发板的管脚约束文件，可用于开发板下载验证。工程中包含 Quartus 管脚分配信息，顶层端口覆盖 50MHz 时钟输入、模式设置按键、闹钟设置按键、小时/分钟调整按键、12/24 小时切换开关、模式 LED 指示以及 6 位数码管显示输出。 开发板验证时，用户可通过 MODE_SW、alarm_SW、AH_key、AM_key、SW_hour 等输入完成计时模式切换、时间调整、闹钟时间查看与设置、12/24 小时显示切换等操作；HEX0 至 HEX5 用于显示时分秒或闹钟时间，led_mode 用于指示当前工作模式。

演示视频

配套演示视频展示数字时钟工程的实际运行效果，可直观看到数码管时间显示、模式切换、时间设置、闹钟设置以及闹铃触发相关现象，便于下载前了解设计功能和上板表现。

仿真图/仿真说明/设计文档图片

设计文档内容包含工程文件、程序文件、程序编译、RTL 图、仿真图以及整体仿真图说明，并分别给出了分频模块、计时模块、模式设置、闹钟设置、闹铃模块和显示模块相关说明。工程中包含 display、Bell、alarm_clock、jishi 等仿真波形文件，可用于查看各模块在 Quartus 仿真环境下的逻辑变化和功能关系。

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,//时钟
input alarm_SW,//闹钟时间设置键，0--显示正常计时；1--显示设置闹钟时间
input MODE_SW,//MODE 模式设置按键--0:计时，1：设置时间
input AH_key,//AH 修改小时
input AM_key,//AM 修改分钟
input SW_hour,//12小时和24小时切换

output [3:0] led_mode,//led显示当前模式

output  [7:0] HEX0,//数码管-低亮
output  [7:0] HEX1,//数码管-低亮
output  [7:0] HEX2,//数码管-低亮
output  [7:0] HEX3,//数码管-低亮
output  [7:0] HEX4,//数码管-低亮
output  [7:0] HEX5 //数码管-低亮
);
wire [3:0] state_mode;//当前模式
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 clk_1Hz;
wire bell_out;

//分频到1Hz
fenping fenping_Hz(
. clk_50M(clk_50M),
. clk_1Hz(clk_1Hz)
);

//设置模式模块
set_mode i_set_mode(
. clk_50M(clk_50M),
. alarm_SW(alarm_SW),
. MODE_SW(MODE_SW),
. 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设置时间 ，4'd2显示闹钟时间,4'd3设置闹钟时间
);

//计时模块
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设置时间 ，4'd2显示闹钟时间,4'd3设置闹钟时间

. AH_key(AH_key),//AH 修改小时
. AM_key(AM_key),//AM 修改分钟
. hour_time(hour_time),//时
. minute_time(minute_time),//分
. second_time(second_time)//秒
);

//闹钟模块
alarm_clock i_alarm_clock(

. clk_50M(clk_50M),
. state_mode(state_mode),////当前模式，4'd0:计时，4'd1设置时间 ，4'd2显示闹钟时间,4'd3设置闹钟时间

. AH_key(AH_key),//AH 修改小时
. AM_key(AM_key),//AM 修改分钟

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

//闹铃模块
Bell i_Bell(
. clk_50M(clk_50M),

. 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)////闹钟使能，5秒
);

//显示模块
display i_display(
. clk(clk_50M),
. SW_hour(SW_hour),//12小时和24小时切换
. state_mode(state_mode),//当前模式，4'd0:计时，4'd1设置时间 ，4'd2显示闹钟时间,4'd3设置闹钟时间
. bell_en(bell_out),//闹钟使能，5秒
. hour_time(hour_time),//时
. minute_time(minute_time),//分
. second_time(second_time),//秒	

. 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

. HEX0(HEX0),//数码管-低亮
. HEX1(HEX1),//数码管-低亮
. HEX2(HEX2),//数码管-低亮
. HEX3(HEX3),//数码管-低亮
. HEX4(HEX4),//数码管-低亮
. HEX5(HEX5) //数码管-低亮
);


endmodule

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