【正点原子FPGA连载】第三十一章RTC实时时钟数码管显示实验 -摘自【正点原子】新起点之FPGA开发指南_V2.1

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第三十一章RTC实时时钟数码管显示实验

PCF8563是一款多功能时钟/日历芯片。因其功耗低、控制简单、封装小而广泛应用于电表、水表、传真机、便携式仪器等产品中。本章我们将使用新起点开发板上的PCF8563器件实现实时时钟的显示。 本章包括以下几个部分： 3030.1简介 30.2实验任务 30.3硬件设计 30.4程序设计 30.5下载验证 31.1简介 PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级多功能时钟/日历芯片，具有报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能，能完成各种复杂的定时服务。其内部功能模块的框图如下图所示：

图 31.1.1 PCF8563功能框图 PCF8563有16个可寻址的8位寄存器，但不是所有位都有用到。前两个寄存器（内存地址00H、01H）用作控制寄存器和状态寄存器（CONTROL_STATUS）；内存地址02H08H用作TIME计时器(秒年计时器)；地址09H~0CH用于报警（ALARM）寄存器(定义报警条件)；地址0DH控制CLKOUT管脚的输出频率；地址0EH和0FH分别用于定时器控制寄存器和定时器寄存器。 秒、分钟、小时、日、月、年、分钟报警、小时报警、日报警寄存器中的数据编码格式为BCD，只有星期和星期报警寄存器中的数据不以BCD格式编码。BCD码（Binary-Coded Decimal‎）是一种二进制的数字编码形式，用四个二进制位来表示一位十进制数（0~9），能够使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。 PCF8563通过I2C接口与FPGA芯片进行通信。使用该器件时，FPGA芯片先通过I2C接口向该器件相应的寄存器写入初始的时间数据（秒~年），然后通过I2C接口读取相应的寄存器的时间数据。有关I2C总线协议详细的介绍请大家参考“EEPROM读写实验”。 下面对本次实验用到的寄存器做简要的描述和说明，其他寄存器的描述和说明，请大家参考PCF8563的数据手册。 秒寄存器的地址为02h，说明如下表所示：

当电源电压低于PCF8563器件的最低供电电压时，VL为“1”，表明内部完整的时钟周期信号不能被保证，可能导致时钟/日历数据不准确。 BCD编码的秒数值如下表所示：

图 31.1.2 秒数值的BCD编码 分寄存器的地址为03h，说明如下表所示：

小时寄存器的地址为04h，说明如下表所示：

天寄存器的地址为05h，说明如下表所示：

当年计数器的值是闰年时，PCF8563自动给二月增加一个值，使其成为29天。 月/世纪寄存器的地址为07h，说明如下表所示： 表 31.1.5 月/世纪寄存器（地址07h） 表 31.1.6 月份表

年寄存器的地址为08h，说明如下表所示： 表 31.1.7 寄存器（地址08h） 本节的实验任务是通过新起点开发板上的PCF8563实时时钟芯片，根据输入按键KEY0来切换数码管显示时间或者日期。 31.3硬件设计 新起点开发板上PCF8563接口部分的原理图如下图所示。

图 31.3.1 PCF8563接口原理图 PCF8563作为I2C接口的从器件与EEPROM等模块统一挂接在新起点开发板上的IIC总线上。 OSCI、OSCO与外部32.768KHz的晶振相连，为芯片提供驱动时钟；SCL和SDA分别是I2C总线的串行时钟接口和串行数据接口。 本实验中，各管脚分配如下表所示。 表 31.3.1 RTC实时时钟数码管显示管脚分配

对应的管脚分配约束语句如下所示： #系统时钟和复位

set_location_assignment PIN_M2 -to sys_clk
set_location_assignment PIN_M1 -to sys_rst_n

#KEY0
set_location_assignment PIN_E16 -to key

#IIC
set_location_assignment PIN_D8 -to iic_scl
set_location_assignment PIN_C8 -to iic_sda

#数码管
set_location_assignment PIN_N16 -to seg_sel[0]
set_location_assignment PIN_N15 -to seg_sel[1]
set_location_assignment PIN_P16 -to seg_sel[2]
set_location_assignment PIN_P15 -to seg_sel[3]
set_location_assignment PIN_R16 -to seg_sel[4]
set_location_assignment PIN_T15 -to seg_sel[5]
                                              
set_location_assignment PIN_M11 -to seg_led[0]
set_location_assignment PIN_N12 -to seg_led[1]
set_location_assignment PIN_C9 -to seg_led[2]
set_location_assignment PIN_N13 -to seg_led[3]
set_location_assignment PIN_M10 -to seg_led[4]
set_location_assignment PIN_N11 -to seg_led[5]
set_location_assignment PIN_P11 -to seg_led[6]
set_location_assignment PIN_D9 -to seg_led[7]

31.4程序设计 根据实验任务，我们可以大致规划出系统的控制流程：首先通过I2C总线向PCF8563写入初始日期值（年月日）和时间值（时分秒），然后不断地读取日期和时间数据，并根据输入的按键，选择将日期或者时间数据显示到数码管上。由此画出系统的功能框图如下图所示：

图 31.4.1 系统框图 由系统框图可知，FPGA顶层模块例化了以下五个模块、分别是IIC驱动模块（i2c_dri）、PCF8563控制模块（pcf8563_ctrl）、按键消抖模块（key_debounce）、显示值切换模块（key_sw_disp）以及数码管BCD驱动模块（seg_bcd_dri）。 各模块端口及信号连接如下图所示：

图 31.4.2 顶层模块原理图 PCF8563控制模块通过调用IIC驱动模块来实现对PCF8563实时时钟数据的配置和读取；而显示值切换模块根据按键消抖模块输出的按键数据（key_value）选择显示日期或者时间（年月日/时分秒），并将其传递给数码管BCD驱动模块（seg_bcd_dri），最终在数码管上显示日期或者时间。 顶层模块的代码如下：

1   module rtc_seg_led(
2       input                sys_clk,     //系统时钟
3       input                sys_rst_n,   //系统复位
4   
5       //按键
6       input                key,         //输入按键KEY0
7       
8       //数码管
9       output        [5:0]  seg_sel,     //数码管位选信号
10      output        [7:0]  seg_led,     //数码管段选信号
11      
12      //RTC实时时钟
13      output               iic_scl,     //RTC的时钟线scl
14      inout                iic_sda      //RTC的数据线sda    
15      );                                                      
16  
17  //parameter define
18  parameter    SLAVE_ADDR = 7'b101_0001   ; //器件地址(SLAVE_ADDR)
19  parameter    BIT_CTRL   = 1'b0          ; //字地址位控制参数(16b/8b)
20  parameter    CLK_FREQ   = 26'd50_000_000; //i2c_dri模块的驱动时钟频率(CLK_FREQ)
21  parameter    I2C_FREQ   = 18'd250_000   ; //I2C的SCL时钟频率
22  parameter    TIME_INIT  = 48'h20_04_01_09_30_00;//初始时间
23  
24  //wire define
25  wire          dri_clk   ;   //I2C操作时钟
26  wire          i2c_exec  ;   //I2C触发控制
27  wire  [15:0]  i2c_addr  ;   //I2C操作地址
28  wire  [ 7:0]  i2c_data_w;   //I2C写入的数据
29  wire          i2c_done  ;   //I2C操作结束标志
30  wire          i2c_ack   ;   //I2C应答标志 0:应答 1:未应答
31  wire          i2c_rh_wl ;   //I2C读写控制
32  wire  [ 7:0]  i2c_data_r;   //I2C读出的数据
33  
34  wire    [7:0]  sec      ;   //秒
35  wire    [7:0]  min      ;   //分
36  wire    [7:0]  hour     ;   //时
37  wire    [7:0]  day      ;   //日
38  wire    [7:0]  mon      ;   //月
39  wire    [7:0]  year     ;   //年
40  
41  wire           key_value;   //消抖后的按键值
42  wire    [5:0]  point    ;   //数码管小数点控制
43  wire    [23:0] disp_data;   //数码管显示的数值控制
44  
45  //*****************************************************
46  //**                    main code
47  //*****************************************************
48  
49  //i2c驱动模块
50  i2c_dri #(
51      .SLAVE_ADDR  (SLAVE_ADDR),  //从机地址
52      .CLK_FREQ    (CLK_FREQ  ),  //模块输入的时钟频率
53      .I2C_FREQ    (I2C_FREQ  )   //IIC_SCL的时钟频率
54  ) u_i2c_dri(
55      .clk         (sys_clk   ),  
56      .rst_n       (sys_rst_n ),  
57      //i2c interface
58      .i2c_exec    (i2c_exec  ), 
59      .bit_ctrl    (BIT_CTRL  ), 
60      .i2c_rh_wl   (i2c_rh_wl ), 
61      .i2c_addr    (i2c_addr  ), 
62      .i2c_data_w  (i2c_data_w), 
63      .i2c_data_r  (i2c_data_r), 
64      .i2c_done    (i2c_done  ), 
65      .i2c_ack     (i2c_ack   ), 
66      .scl         (iic_scl   ), 
67      .sda         (iic_sda   ), 
68      //user interface
69      .dri_clk     (dri_clk   )  
70  );
71  
72  //PCF8563控制模块
73  pcf8563_ctrl #(
74      .TIME_INIT (TIME_INIT)
75     )u_pcf8563_ctrl(
76      .clk         (dri_clk   ),
77      .rst_n       (sys_rst_n ),
78      //IIC
79      .i2c_rh_wl   (i2c_rh_wl ),
80      .i2c_exec    (i2c_exec  ),
81      .i2c_addr    (i2c_addr  ),
82      .i2c_data_w  (i2c_data_w),
83      .i2c_data_r  (i2c_data_r),
84      .i2c_done    (i2c_done  ),
85      //时间和日期
86      .sec         (sec       ),
87      .min         (min       ),
88      .hour        (hour      ),
89      .day         (day       ),
90      .mon         (mon       ),
91      .year        (year      )
92      );
93  
94  //消抖模块
95  key_debounce u_key_debounce(
96      .sys_clk     (sys_clk   ),    //外部50M时钟
97      .sys_rst_n   (sys_rst_n ),    //外部复位信号，低有效
98      .key         (key       ),    //外部按键输入
99      .key_value   (key_value ),    //按键消抖后的数据
100     .key_flag    ()               //按键数据有效信号
101 );
102 
103 //显示值切换模块
104 key_sw_disp u_key_sw_disp(
105     .clk          (sys_clk),
106     .rst_n        (sys_rst_n),
107              
108     .key_value    (key_value),
109     .sec          (sec ),
110     .min          (min ),
111     .hour         (hour),
112     .day          (day ),
113     .mon          (mon ),
114     .year         (year),
115                
116     .point        (point),
117     .disp_data    (disp_data)
118     );
119 
120 //数码管驱动模块
121 seg_bcd_dri u_seg_bcd_dri(
122    //input
123    .clk          (sys_clk   ),    //时钟信号
124    .rst_n        (sys_rst_n ),    //复位信号
125    .data         (disp_data ),    //6个数码管要显示的数值
126    .point        (point     ),    //小数点具体显示的位置,从左往右,高有效
127    //output
128    .seg_sel      (seg_sel   ),    //数码管位选
129    .seg_led      (seg_led   )     //数码管段选
130 );    
131     
132 endmodule

程序中第18行至第22行定义了一些参数，其中TIME_INIT表示PCF8563初始化时的时间数据，可以通过修改此参数值使PCF8563从不同的时间开始计时，例如从2020年4月1号09：30：00开始计时，需要将该参数值设置为48’h20_04_01_09_30_00。 顶层模块中主要完成对其余模块的例化。其中I2C驱动模块（i2c_dri）程序与“EEPROM读写实验”章节中的IIC驱动模块（i2c_dri）程序完全相同，有关IIC驱动模块的详细介绍请大家参考“EEPROM读写实验”。按键消抖模块可参考“按键控制蜂鸣器实验”。 PCF8563实时时钟控制模块的代码如下所示：

1   module pcf8563_ctrl #(
2       // 初始时间设置，从高到低为年到秒，各占8bit
3       parameter  TIME_INIT = 48'h20_10_26_09_30_00)(
4       input                 clk       , //时钟信号
5       input                 rst_n     , //复位信号
6   
7       //i2c interface
8       output   reg          i2c_rh_wl , //I2C读写控制信号
9       output   reg          i2c_exec  , //I2C触发执行信号
10      output   reg  [15:0]  i2c_addr  , //I2C器件内地址
11      output   reg  [7:0]   i2c_data_w, //I2C要写的数据
12      input         [7:0]   i2c_data_r, //I2C读出的数据
13      input                 i2c_done  , //I2C一次操作完成
14  
15      //PCF8563T的秒、分、时、日、月、年数据
16      output   reg   [7:0]  sec,        //秒
17      output   reg   [7:0]  min,        //分
18      output   reg   [7:0]  hour,       //时
19      output   reg   [7:0]  day,        //日
20      output   reg   [7:0]  mon,        //月
21      output   reg   [7:0]  year        //年
22  );
23  
24  //reg define
25  reg   [3:0]     flow_cnt  ;            // 状态流控制
26  reg   [12:0]    wait_cnt  ;            // 计数等待
27  
28  //*****************************************************
29  //**                    main code
30  //*****************************************************
31  
32  //先向PCF8563中写入初始化日期和时间，再从中读出日期和时间
33  always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
34      if(!rst_n) begin
35          sec