彩燈控制器設(shè)計

1、彩燈控制器設(shè)計 目 錄摘要 21、系統(tǒng)設(shè)計要求 32、系統(tǒng)框圖 33、功能模塊 43.1計數(shù)器CNT1模塊43.2計數(shù)器CNT5模塊43.3循環(huán)右移模塊 63.4循環(huán)左移模塊 73.5 BACK模塊83.6 MOVE模塊93.7二選一模塊 113.8模塊組合（系統(tǒng)）124、系統(tǒng)調(diào)試 135、總結(jié)14參考資料 15摘要隨著社會的飛速發(fā)展，城市化的建設(shè)加快，城市面貌建設(shè)也成為重點。利用彩燈來裝扮城市也成為一種有效的手段。在經(jīng)濟(jì)和商業(yè)高度發(fā)達(dá)的今天，彩燈已經(jīng)成為人民日常生活不可或缺的一部分，逐漸為越來越多的人們所關(guān)注，在家庭中的普及率不斷提高，大大的豐富和點綴了人民的生活。彩燈由不同的顏色的LED燈

2、組成，通過控制不同顏色的燈的亮與滅，呈現(xiàn)給人們不同的花塑和圖案，極大的點綴了單調(diào)的都市夜景，讓城市成為了多姿多彩的不夜城。本實驗設(shè)計從題目要求出發(fā)，采用該設(shè)計是以現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)為設(shè)計載體,以硬件描述語言(VHDL)為主要,以原理圖輸入設(shè)計為輔的表達(dá)方式,以Quartus開發(fā)軟件和EDA試驗箱為設(shè)計工具,闡述了彩燈控制器的工作原理和軟硬件的實現(xiàn)方法。它以按鍵控制彩燈工作模式。并對所設(shè)計的控制器進(jìn)行了時序仿真和編程下載進(jìn)行硬件驗證，順利實現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。關(guān)鍵詞：彩燈 分頻電路 VHDL語言 FPGA芯片Abstract With the rapid development of soc

3、iety, urbanization accelerated, construction has become the focus of the urban landscape. Use lights to dress the city have also become an effective means. With a highly developed economic and commercial today, lights have become an integral part of people's daily lives and aroused widespread co

4、ncern. Moreover, these lights also enriched peoples lives. They consist of different colors of LED lights and presented to of different plastic flowers and patterns by controlling the different colors of lights on and off. These lights embellished the monotony of city at night greatly, so the city h

5、as become a colorful district that never sleeps.This design based on field programmable logic devices (FPGA) to design the carrier, with hardware description language (VHDL) as the main, in principle diagram input design, supplemented by express way to Quartus development software and EDA test chamb

6、er for design tools, this paper expounds the working principle of lights controller hardware and software and the realization method of it buttons to control lights work mode and the design of controller on the timing simulation and programming download for hardware validation, smooth realization de

7、sign goal.Keywords: lights crossover circuit VHDL language FPGA chip 彩燈控制器設(shè)計一、系統(tǒng)設(shè)計要求設(shè)計一個控制電路來實現(xiàn)8路彩燈按照一定的次序和時間間隔閃爍。具體要求如下：1、當(dāng)控制開關(guān)為0時，燈全滅；當(dāng)控制開關(guān)為1時，從第一盞開始，依次點亮，時間間隔為1秒。期間一直保持只有一盞燈亮、其他燈全滅的狀態(tài)。2、8盞燈依次亮完后，從第8盞開始依次滅，期間一直保持只有一盞燈滅、其他燈全亮的狀態(tài)。3、當(dāng)8盞燈依次滅完后，8盞燈同時亮同時滅，其時間間隔為0.5秒，并重復(fù)4次。4、只要控制開關(guān)為1，上述亮燈次序不斷重復(fù)。5、用層次化設(shè)計方

8、法設(shè)計該電路，編寫各個功能模塊的程序。6、仿真各功能模塊，通過觀察有關(guān)波形確認(rèn)電路設(shè)計是否正確。7、完成電路設(shè)計后，用實驗系統(tǒng)下載驗證設(shè)計的正確性。二、系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖如1.1所示, 彩燈控制器分為三個部分，使能信號ENA為低電平時，8只LED燈保持全滅的狀態(tài)，ENA為高電平時，LED燈按照既定的花型進(jìn)行變換。第一個模塊（BACK）由一個一位計數(shù)器控制，當(dāng)計數(shù)器的輸出是高電平時模塊輸出“11111111”，低電平時輸出“00000000”，所以此模塊的功能就是以2Hz的頻率不停地輸出“11111111”（全亮）和“00000000”（全滅）。第二個模塊（MOVE）由一個一位計數(shù)器（CNT1）、

9、一個5位的計數(shù)器（CNT5）、LED燈的右移（rightmove）模塊和LED燈的左移(leftmove)模塊組成，其中一位的計數(shù)器作為分頻器使用，2Hz的時鐘信號在CNT1作用下，CNT1的輸出是1HZ的時鐘；5位的計數(shù)器有兩個功能，一方面它控制它的輸出在“00000”到“10011”之間輸出彩燈的20個狀態(tài)，另一方面它控制CO的狀態(tài)，CO是下一個模塊（MUX21）的控制信號，當(dāng)計數(shù)的值小于20時輸出0，這時MUX21選擇輸出此計數(shù)器的輸出的中間八位信號,實現(xiàn)8只LED燈以每隔1s的速度自左向右依次點亮，以及自右向左依次熄滅的花型變換，當(dāng)計數(shù)器的值大于等于20時，CO等于1，此時MUX21

10、選擇輸出BACK的輸出的八位信號，實現(xiàn)8只LED燈以0.5s的速度全亮和全滅，重復(fù)四次。系統(tǒng)框圖如圖1.1所示。圖1.13. 功能模塊 3.1計數(shù)器CNT1模塊 功能描述：該模塊是一個一位計數(shù)器，主要的功能是將頻率為2Hz的時鐘信號分頻為1Hz的時鐘信號，并將頻率為1Hz的時鐘信號作為左移模塊和右移模塊的時鐘觸發(fā)信號；同時該模塊控制圖1.1中的BACK模塊，當(dāng)CNT1的輸出為高電平時，BACK模塊輸出“11111111”，低電平時輸出“00000000”。代碼部分：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY CNT1 ISPORT( CLK,

11、ENA:IN STD_LOGIC;COUNT1:OUT STD_LOGIC );END CNT1;ARCHITECTURE ONE OF CNT1 IS SIGNAL COUNT:STD_LOGIC; BEGIN PROCESS(CLK,ENA) BEGIN IF ENA='1' THEN IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN COUNT<=NOT COUNT; END IF; ELSE COUNT<='0' END IF; END PROCESS; COUNT1<=COUNT;END ONE; 仿

12、真波形如圖1.2所示：圖1.2由圖1.2可知，CNT1模塊實現(xiàn)了二分頻作用，當(dāng)時鐘信號CLK的頻率是2Hz時，CNT1的輸出頻率為1Hz。 3.2計數(shù)器CNT5模塊 功能描述：該模塊的主要功能是通過計數(shù)，控制它的輸出在“00000”到“10011”之間輸出彩燈的20個狀態(tài)(輸出在“00000”到“00111”之間為循環(huán)左移，輸出在“01000”到“01111”之間為循環(huán)右移，輸出在“10000”到“10011”之間為全亮，全滅，并重復(fù)四次)，它的進(jìn)位輸出CO的是下一個模塊（MUX21）的控制信號，當(dāng)計數(shù)器的值小于20時輸出0,當(dāng)計數(shù)器的值大于等于20時，CO等于1。代碼部分：LIBRARY I

13、EEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNT5 ISPORT(CLK,ENA:IN STD_LOGIC; COUNT5:OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);END CNT5;ARCHITECTURE ONE OF CNT5 IS SIGNAL COUNT:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); BEGIN PROCESS(CLK,ENA) BEGIN IF ENA='1' THEN IF CLK'EVENT AND C

14、LK='1' THEN IF COUNT<"10011" THEN COUNT<=COUNT+1; ELSE COUNT<="00000" END IF; END IF; ELSE COUNT<="00000" END IF; END PROCESS; COUNT5<=COUNT;END ONE;仿真波形如圖1.3所示：圖1.3由圖1.3可知，每隔CLK的一個周期（1s），CNT5記一次數(shù)，輸出彩燈不同的狀態(tài)，共20種情況。 3.3循環(huán)右移模塊 功能描述：該功能實現(xiàn)8只LED燈從左向右依次

15、點亮的功能，點亮過程中，每時每刻都保證只有一個LED被點亮，其它LED全滅的狀態(tài)。時間間隔為1S。 代碼部分：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY rightmove ISPORT(CLK,ENA:IN STD_LOGIC; COUNT5:IN STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); OUTPUT1:OUT STD_LOGIC_VECTOR(11 DOWNTO 0);END rightmove;ARCHITECTURE ONE OF rightmove

16、IS BEGIN PROCESS(CLK,ENA,COUNT5) BEGIN IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN IF ENA='1' THEN CASE COUNT5 ISWHEN "00000"=>OUTPUT1<="001000000000"WHEN "00001"=>OUTPUT1<="000100000000"WHEN "00010"=>OUTPUT1<="0000100000

17、00"WHEN "00011"=>OUTPUT1<="000001000000"WHEN "00100"=>OUTPUT1<="000000100000"WHEN "00101"=>OUTPUT1<="000000010000"WHEN "00110"=>OUTPUT1<="000000001000"WHEN "00111"=>OUTPUT1<=&

18、quot;000000000100"WHEN OTHERS=>OUTPUT1<="000000000000" END CASE; ELSE OUTPUT1<="000000000000" END IF; END IF; END PROCESS;END ONE;仿真波形如圖1.4所示：圖1.4由圖1.4可知，計數(shù)器CNT5的計數(shù)輸出作為循環(huán)右移模塊的輸入（從“00000”到“00111”之間計數(shù)），取模塊輸出信號的中間8位作為8只LED燈的狀態(tài)，實現(xiàn)了8只LED燈從左向右依次點亮的功能，點亮過程中，每時每刻都保證只有一個LED被

19、點亮，其它LED全滅的狀態(tài)。3.4循環(huán)左移模塊 功能描述：該功能實現(xiàn)8只LED燈在從左向右依次點亮結(jié)束后，從右向左依次熄滅一只LED，熄滅過程中，每時每刻都保證只有一個LED被熄滅，其它LED全亮的狀態(tài)。時間間隔為1S。代碼部分：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY leftmove ISPORT(CLK,ENA:IN STD_LOGIC; COUNT5:IN STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); OUTPUT2:OUT STD_LOGIC_VECTO

20、R(11 DOWNTO 0);END leftmove;ARCHITECTURE ONE OF leftmove IS BEGIN PROCESS(CLK,ENA,COUNT5) BEGIN IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN IF ENA='1' THEN CASE COUNT5 ISWHEN OTHERS=>OUTPUT2<="000000000000" END CASE; ELSE OUTPUT2<="000000000000" END IF; END IF; END

21、 PROCESS;END ONE;仿真波形如圖1.5所示:圖1.5由圖1.5可知（仿真波形存在延遲），計數(shù)器CNT5的計數(shù)輸出作為循環(huán)左移模塊的輸入（從“01000”到“01111”之間計數(shù)），取模塊輸出信號的中間8位作為8只LED燈的狀態(tài)，實現(xiàn)了8只LED燈在從左向右依次點亮結(jié)束后，從右向左依次熄滅一只LED，熄滅過程中，每時每刻都保證只有一個LED被熄滅，其它LED全亮的狀態(tài)。3.5 BACK模塊功能描述：該模塊的功能是以2Hz的頻率不停地輸出“11111111”（全亮）和“00000000”（全滅）。代碼部分：-用元件例化的方法實現(xiàn)CNT1對BACK模塊的控制 -當(dāng)計數(shù)器CNT1的輸出是

22、高電平時模塊輸出“11111111”（全亮），低電平時輸出“00000000”（全滅）LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY BACK IS PORT( CLK,ENA:IN STD_LOGIC; OUTPUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0) );END BACK;ARCHITECTURE ONE OF BACK IS COMPONENT CNT1 PORT( CLK,ENA:IN STD_LOGIC; COUNT1:OUT STD_LOGIC ); END COMPONENT; SIGNAL CP:ST

23、D_LOGIC; SIGNAL Q:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); BEGIN U1:CNT1 PORT MAP(CLK=>CLK,ENA=>ENA,COUNT1=>CP); PROCESS(CP,ENA) BEGIN IF ENA='1' THEN IF CP='1' THEN Q(7 DOWNTO 0)<="11111111" ELSE Q(7 DOWNTO 0)<="00000000" END IF; ELSE Q(7 DOWNTO 0)<="

24、00000000" END IF; END PROCESS; OUTPUT(7 DOWNTO 0)<=Q(7 DOWNTO 0);END ONE;仿真波形如圖1.6所示：圖1.63.6 MOVE模塊功能描述：此模塊的功能是8只LED燈以1Hz的頻率自左向右依次點亮，點亮過程中，每時每刻都保證只有一個LED被點亮，其它LED全滅的狀態(tài)。在從左向右依次點亮結(jié)束后，從右向左依次熄滅一只LED，熄滅過程中，每時每刻都保證只有一個LED被熄滅，其它LED全亮的狀態(tài)。代碼部分：-用元件例化的方法使MOVE模塊中包含了CNT1模塊，CNT5模塊，循環(huán)左移和循環(huán)右移模塊。LIBRARY IEE

25、E;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY MOVE IS PORT( CLK,ENA:IN STD_LOGIC; CO:OUT STD_LOGIC; OUTPUT:BUFFER STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0) );END MOVE;ARCHITECTURE COLOUR OF MOVE ISCOMPONENT CNT1 PORT( CLK,ENA:IN STD_LOGIC; COUNT1:OUT STD_LOGIC );END COMPONENT;COMPONENT CNT

26、5 PORT(CLK,ENA:IN STD_LOGIC; COUNT5:OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);END COMPONENT;COMPONENT rightmove PORT(CLK,ENA:IN STD_LOGIC; COUNT5:IN STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0); OUTPUT1:OUT STD_LOGIC_VECTOR(11 DOWNTO 0);END COMPONENT ;COMPONENT leftmove PORT(CLK,ENA:IN STD_LOGIC; COUNT5:IN STD_LOGIC_VECTOR(

27、4 DOWNTO 0); OUTPUT2:OUT STD_LOGIC_VECTOR(11 DOWNTO 0);END COMPONENT ;SIGNAL CP,C:STD_LOGIC;SIGNAL DOUT:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0) ;SIGNAL ST1,ST2:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGINU1:CNT1 PORT MAP(CLK=>CLK,ENA=>ENA,COUNT1=>CP);U2:CNT5 PORT MAP(CLK=>CP,ENA=>ENA,COUNT5=>DOUT);U3:r

28、ightmove PORT MAP(CLK=>CP,ENA=>ENA,COUNT5=>DOUT,OUTPUT1(9 DOWNTO 2)=>ST1(7 DOWNTO 0);U4:leftmove PORT MAP(CLK=>CP,ENA=>ENA,COUNT5=>DOUT,OUTPUT2(9 DOWNTO 2)=>ST2(7 DOWNTO 0);PROCESS(CLK,ENA) BEGIN IF ENA='1' THENIF DOUT<"01001" THEN OUTPUT<=ST1; ELSE IF

29、 DOUT<"10001" THEN OUTPUT<=ST2; ELSE OUTPUT<="00000000" END IF; END IF; ELSE OUTPUT<="00000000" END IF;END PROCESS;PROCESS(CLK) BEGIN IF DOUT<"10001" AND DOUT>"00000"THEN C<='0' ELSE C<='1' END IF; END PROCESS;

30、CO<=C;END ARCHITECTURE COLOUR;仿真波形如圖1.7所示：圖1.73.7二選一模塊功能描述：此模塊將CNT5的進(jìn)位輸出CO作為選通信號S，當(dāng)計數(shù)的值小于20時，CO=S=0，MUX21選擇輸出CNT5的輸出的中間八位信號,實現(xiàn)8只LED燈以每隔1s的速度自左向右依次點亮，以及自右向左依次熄滅的花型變換；當(dāng)計數(shù)器的值大于等于20時，CO=S=1，此時MUX21選擇輸出BACK的輸出的八位信號，實現(xiàn)8只LED燈以0.5s的速度全亮和全滅，重復(fù)四次。代碼部分：LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY MUX21 IS PORT( S:IN BIT;INPUT1,INPUT2:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);LIGHTOUT:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0) );END ENTITY MUX21;ARCHITECTURE ONE OF MUX21 IS BEGIN PROCESS(S,INPUT1,INPUT2) BEGIN IF S='0' THEN LIGHTOUT(7 DOWNTO 0