HDMI时钟显示实验

实验Vivado工程为“hdmi_rtc_char”。

本章在字符显示实验基础上，通过阅读DS1302芯片手册，了解DS1302操作时序和相关寄存器，然后设计程序将DS1302 RTC时间通过HDMI显示出来，类似于一个电子钟。

实验原理

RTC（Real-Time Clock)实时时钟为系统提供一个可靠的时间，并且在断电的情况下，RTC实时时钟也可以通过电池供电，一直运行下去。RTC通过类SPI总线向FPGA传送8位数据（BCD码）。数据包括秒，分，小时，日期，天，月和年。在本实验中我们将读取RTC的时,分,秒的数据并在数码管中显示时间。

硬件介绍

开发板上RTC设计采用DALLAS公司的低功耗实时时钟芯片DS1302, DS1302的VCC2为主电源，VCC1为后备电源。在主电源关闭的情况下，也能可以通过电池保持时钟的连续运行。DS1302外接32.768kHz晶振为RTC电路提供振荡源。 RTC部分的原理图如下图所示：

DS1302的时序和控制

写数据时序

其接口部分类似于SPI接口，但不同之处是其数据接口是双向的。DS1302芯片写操作的时序图。第一个字节是“访问寄存器的地址”，第二字节是“写数据”。在写操作的时候，都是“上升沿有效”，然而还有一个条件，就是CE（/RST）信号必须拉高。（数据都是从LSB开始发送，亦即是最低位开始至最高位结束）。

DS1302写时序

读数据时序

基本上和写操作的时序图大同小异，区别的地方就是在第二个字节是“读数据”的动作。第二字节读数据开始时，SCLK信号都是下降沿送出数据，这个时候可以使用上升沿读取数据。CE（/RST）信号同样是必须拉高。（第一节数据是从LSB开始输出，第二节数据是从LSB开始读入）。

DS1302读时序

命令格式和寄存器

无论是读操作还是写操作，在时序图中，第一个字节都是“访问寄存器的地址”，然而这一字节数据有自己的格式。

BIT 7 固定。 BIT 6 表示是访问寄存器本身，还是访问RAM空间。 BIT 5 到BIT1 表示是寄存器或RAM空间的地址。 BIT 0 表示是访问寄存器本身是写操作，还是读操作。

下图是DS1302的寄存器地址和数据格式

程序设计

DS1302读写设计

通过分析DS1302读写时序，可以看出和SPI时序类似，只不过数据输出和输入分时复用了，spi master状态机设计，主要完成一个字节spi数据的读写，由于是全双工的，写一个字节的同时也读一个字节。首先空闲状态“IDLE”接收到写请求后进入“DCLK_IDLE”状态，这个状态为spi时钟沿变化保持一定的时间，用来控制spi时钟的周期，然后进入spi时钟沿的变化状态，一个字节上升沿和下降沿一共16个数据沿。在最后一个数据沿进入“LAST_HALF_CYCLE”状态，为让最后一个沿也保持一定的时间，再进入应答状态，完成一次写请求。

spi master模块状态图

spi_master模块中模拟了一个spi时钟，在状态机进入到‘DCLK_EDGE’时进行翻转

//SPI clock edge counter
always@(posedge sys_clk or posedge rst)
begin
       if(rst)
               clk_edge_cnt <= 5'd0;
       else if(state == DCLK_EDGE)
               clk_edge_cnt <= clk_edge_cnt + 5'd1;
       else if(state == IDLE)
               clk_edge_cnt <= 5'd0;
end

信号名称	方向	说明
sys_clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
nCS	out	spi 片选信号，等于nCS_ctrl。
DCLK	out	spi 串行时钟
MOSI	out	spi串行数据输出
MISO	in	spi串行数据输入
CPOL	in	Clock Polarity，spi时钟的极性 0：空闲状态为0 1：空闲状态为1
CPHA	in	Clock Phase，spi时钟的相位， 0：第一个沿采样， 1：第二个沿采样
nCS_ctrl	in	nCS控制
clk_div	in	spi时钟频率控制 spi时钟=系统时钟/(2*（2+ clk_div）) clk_div 最小值可以为0，当为0时，spi时钟是系统时钟的1/4
wr_req	in	写一个字节请求
wr_ack	out	写应答，高有效
data_in	in	数据
data_out	out	返回的数据，当写应答时有效

spi master端口说明

ds1302_io模块完成DS1302寄存器读写控制，状态机如下图所示。

状态“S_IDLE”空闲状态，收到读写寄存器请求写进入“S_CE_HIGH”状态，将CE拉高，然后根据请求类型，进入读（S_READ）或写状态(S_WRITE)。

“S_WRITE”状态下一个状态进入写地址状态“S_WRITE_ADDR”,再进入写数据状态“S_WRITE_DATA”，完成一个寄存器的写入，最后应答，拉低CE。

“S_READ”状态下一个状态进入读地址状态“S_READ_ADDR”,再进入读数据状态“S_READ_DATA”，完成一个寄存器的读取，最后应答，拉低CE。

ds1302_io状态机

信号名称	方向	说明
clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
ds1302_ce	out	DS1302 CE，高有效
ds1302_sclk	out	DS1302串行时钟
ds1302_io	inout	DS1302数据
cmd_read	in	读寄存器请求，发出请求时准备好地址
cmd_write	in	写寄存器请求，发出请求时准备好地址和数据
cmd_read_ack	out	读寄存器应答，应答时读取数据有效
cmd_write_ack	out	写寄存器应答
read_addr	in	读寄存器地址
write_addr	in	写寄存器地址
read_data	out	读出的数据
write_data	in	写寄存器数据

ds1302_io端口

ds1302模块主要完成时间寄存器的读写控制，状态机状态较为简单。

ds1302模块状态机

信号 名称	方 | 说明 向 |
clk	i n	时钟输入
rst	i n	异步复位输入，高复位
ds13 02_ce	o u t	DS1302 CE，高有效
d s1302 _sclk	o u t	DS1302串行时钟
ds13 02_io	i n o u t	DS1302数据
writ e_tim e_req	i n	ds1302写时间请求，请求 发出时，时间数据write_second、write_minute、write_hour 、write_date、write_month、write_week、write_year要有效
writ e_tim e_ack	o u t	写时间请求应答
wr ite_s econd	i n	写时间：秒，BCD码，00-59
wr ite_m inute	i n	写时间：分，BCD码,，00-59
write _hour	i n	写时间：时，BCD码,，00-23
write _date	i n	写时间：日，BCD码,，01-31
write _ month	i n	写时间：月，BCD码,，01-12
write _week	i n	写时间：周，BCD码,，01-07
write _year	i n	写时间：年，BCD码,，00-99
rea d_tim e_req	i n	读时间请求
rea d_tim e_ack	o u t	读时间请求应答
r ead_s econd	o u t	读时间：秒，BCD码，00-59
r ead_m inute	o u t	读时间：分，BCD码,，00-59
read _hour	o u t	读时间：时，BCD码,，00-23
read _date	o u t	读时间：日，BCD码,，01-31
read_m onth	o u t	读时间：月，BCD码,，01-12
read _week	o u t	读时间：周，BCD码,，01-07
read _year	o u t	读时间：年，BCD码,，00-99

ds1302模块端口

ds1302_test模块主要CH状态检测，CH位于秒寄存器的BIT7位，上电后首先读取时间，判断秒寄存器的CH状态，如果为高，表示DS1302暂停，状态机进入“S_WRITE_CH”，将CH写0，并将一个初始时间写入，然后循环不断的读取时间寄存器。

ds1302_test状态机

信号名称	方向	说明
clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
ds1302_ce	out	DS1302 CE，高有效
ds1302_sclk	out	DS1302串行时钟
ds1302_io	inout	DS1302数据
read_second	out	时间：秒，BCD码，00-59
read_minute	out	时间：分，BCD码，00-59
read_hour	out	时间：时，BCD码，00-23
read_date	out	时间：日，BCD码，01-31
read_month	out	时间：月，BCD码，01-12
read_week	out	时间：周，BCD码，01-07
read_year	out	时间：年，BCD码，00-99

ds1302_test端口

字符叠加设计

参考前面字符叠加实验，由于前面的实验字符是静态的，而本节需要将RTC的数据动态的显示出来，因此一个字符显示区域的内容是可变的，我们需要做字符库。也就是0~9以及分隔符”:”，考虑到字符较多，如果放在一个ROM里不容易调用。因此不再用例化ROM的方式，而是采用case语句制作字符库char_repo.v。比如在下面的图中即是数字0的字符库表达式。

至于字符库的数据也是由“FPGA字模提取”软件产生的，点阵宽x高为16x32，也就是64个字节。

程序中的char_addr_sel用来选择用哪个字符，0~9对应数字0~9，10对应“：”

信号名称	方向	说明
clk	in	时钟输入
char_addr_sel	in	用来选择字符，0~9对应数字0~9，10对应”:”
char_addr	in	字符数据地址
char_data	out	字符数据

char_repo模块接口信号

rtc_osd.v是用来将RTC的数据叠加到彩条上的，并设置了以下一些参数，由于一个字符宽度是16，也就是16个像素点，因此将两个字符间隔设置为16。

由于时分秒加上分隔符共8个字符，因此产生出八个显示有效区域

根据RTC数据值，进行字符选择信号的译码

信号名称	方向	说明
rst_n	in	异步复位输入,低复位
pclk	in	外部时钟输入
rtc_data	In	RTC数据，24bit，分别为时分秒数据
i_hs	in	行同步信号
i_vs	in	场同步信号
i_de	in	数据有效信号
i_data	in	color_bar数据
o_hs	out	输出行同步信号
o_vs	out	输出场同步信号
o_de	out	输出数据有效信号
o_data	out	输出数据

rtc_osd模块信号

实验现象

连接好下载线，HDMI线，将程序下载到板子上以后，可以看到HDMI显示器背景为彩条，在左上方会显示时间，每秒会变一下。

AX7020/AX7010硬件连接图

纽扣电池型号为CR1220，安装时注意正极朝上，取下时用镊子拨动黄色弹片，即可弹出电池。