FPGA设计实例——基于FPGA的简易数字时钟设计_OLED显示

一、概述

基于橙月FPGA开发板设计一个简易数字时钟，并显示到OLED显示屏中，要求能够显示星期几、时钟、分钟和秒钟，并且板载的4个按键分别可以进行天数增加、时钟增加、分钟增加和分钟减小，同时即将到达整点时，LED闪烁进行报时。

本工程参考的是微信公众号“FPGA之旅”的开源工程：Oled数字时钟，以及本公众号上一篇文章《基于FPGA的IIC OLED字符显示系统》的内容，并在此基础上进行修改得到，如增加自定义的数字时钟计时模块、修改状态机跳转逻辑，直接上电后即可依次实现初始化和清零操作，并进入数字时钟的显示界面。

二、实验平台搭建

本系统整体连接如图1所示，将OLED模块直接插入FPGA开发板，FPGA开发板通过IIC接口驱动显示屏显示字符。

主控芯片采用Intel的Cyclone IV E系列FPGA，具体型号是EP4CE6E22C8N，该芯片具有6272个逻辑单元，270kbits嵌入式存储器，2个通用PLL，逻辑资源丰富。开发板具有摄像头接口、VGA接口和SDRAM芯片，是一款性价比极高的图像处理开发板，同时包含按键、LED灯和OLED模块，适合于各种逻辑设计。

图1 系统整体连接实物图

本实验使用的OLED模块为0.96寸的蓝色OLED 4P模块，控制接口为IIC接口，分辨率为128*64，使用3.3V供电（也可以是5V供电），OLED屏幕内部驱动芯片为SSD1306。

三、关键模块介绍

接下来介绍本实验的关键模块：

（1）IIC总线驱动模块（I2C_Master.v）：实现了IIC总线协议，直接用于控制外部的IIC OLED设备。

（2）初始化模块（Oled_Init.v）：通过IIC接口，往OLED显示屏中特定的寄存器写入指令，完成OLED的初始化。

（3）屏幕清除模块（Oled_Clear.v）：初始化完成后，OLED显示的数据杂乱无章，本模块将OLED的8个Page中的各列写0，实现屏幕清除操作。

（4）显示控制模块（Oled_DClock_control.v）:本模块输出待显示字符的x、y坐标和显示字符索引，用于后续的字符显示。如果需要修改显示字符，则需要修改本模块中的字符数量和对应字符的x、y坐标。

（5）字符显示模块（Oled_DClock_Info.v）：本模块内部实例化字符数据子模块，主要功能是根据显示控制模块的x、y坐标和显示字符索引，读取字符数据子模块的数据，通过IIC写入OLED中，完成对应字符的显示。

（6）字符数据模块（DClock_font_data.v）：内部存储了取模软件生成的对应字模数据，如果需要修改待显示的字符，则需要同步修改本模块保存的字符。

（7）1s计数模块（clock_divide.v）：本模块使用计数器，对50MHz的系统时钟进行1s计数，每计数1s，则生成一个时钟周期高电平的脉冲信号，用于后续的数字时钟计数。

（8）计时模块（clock_timer.v）：数字时钟核心计时模块，输入包括4个校时按键消抖后的标志信号、1s计数标志信号等，输出星期几、小时数高位、小时数低位、分钟数高位、分钟数低位、秒钟数高位和秒钟数低位。

（9）按键消抖模块（key_filter.v）：本模块实现的功能是对按键进行消抖，确保每按下一次按键，则输出一个时钟周期高电平的脉冲信号。

四、实验验证

本工程的管脚绑定结果如图2所示。

图2 管脚绑定

本工程的RTL视图如图3所示。

图3 RTL视图

本工程编译后的总结界面如图4所示。

图4 工程总结界面

最后，将编译生成的sof文件下载到FPGA开发板，OLED显示结果如图5所示。

图5 数字时钟显示结果

各个外设功能说明，如图6所示，具备天数调节、时钟调节、分钟调节和整点报时功能。

图6 各个外设功能说明

五、工程获取方法

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