循環(huán)彩燈控制器

武漢理工大學(xué)《能力拓展訓(xùn)練》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書目錄1設(shè)計(jì)目的及任務(wù) 31.1設(shè)計(jì)目的 31.2設(shè)計(jì)任務(wù) 32.QuartusII軟件簡(jiǎn)介 33EDA技術(shù) 44設(shè)計(jì)原理 44.1設(shè)計(jì)分析 44.2循環(huán)彩燈控制器整體設(shè)計(jì) 54.3程序設(shè)計(jì)框圖 74.4彩燈控制器模塊的程序設(shè)計(jì)及仿真 74.4.1VHDL源程序 84.4.2仿真波形 94.5結(jié)果分析和總結(jié) 95心得體會(huì) 10參考文獻(xiàn) 11摘要現(xiàn)在各大中城市商店都已普及彩燈裝飾，所彩燈控制技術(shù)的發(fā)展已成定局。而部分小城市尚未普及，但隨著城市建設(shè)日益加快，象征著城市面貌的彩燈裝飾行業(yè)也將加速發(fā)展，彩燈控制器的普及也是毫無(wú)疑問(wèn)的，所以未來(lái)彩燈控制器的市場(chǎng)還是十分有潛力的。彩燈的發(fā)展也在日新月異，特別是隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，彩燈藝術(shù)更是花樣翻新，奇招頻出，傳統(tǒng)的制燈工藝和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合，將電子、建筑、機(jī)械、遙控、聲學(xué)、光導(dǎo)纖維等新技術(shù)、新工藝用于彩燈的設(shè)計(jì)制作，把形、色、光、聲、動(dòng)相結(jié)合，思想性、知識(shí)性、趣味性、藝術(shù)性相統(tǒng)一。本實(shí)驗(yàn)利用VHDL語(yǔ)言對(duì)交通控制的邏輯功能進(jìn)行描述，通過(guò)Quartus2和Cyclone芯片的強(qiáng)大功能使其功能得到實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，基本達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，能夠滿足彩燈控制的需求。關(guān)鍵字：彩燈控制器VHDLQuartusⅡ

循環(huán)彩燈控制器1設(shè)計(jì)目的及任務(wù)1.1設(shè)計(jì)目的（1）學(xué)習(xí)QuartusⅡ的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和性能；（２）學(xué)習(xí)的實(shí)用方法和編程過(guò)程；（3）熟悉EDA工具設(shè)計(jì)數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方法，掌握VHDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)方法；（４）通過(guò)對(duì)循環(huán)彩燈控制器的設(shè)計(jì)，來(lái)加深對(duì)可編程邏輯器件的理解和掌握；（5）能夠運(yùn)用VHDL編程語(yǔ)言編寫實(shí)驗(yàn)程序，進(jìn)一步對(duì)所學(xué)的EDA知識(shí)進(jìn)行掌握與實(shí)際應(yīng)用。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)循環(huán)彩燈控制器，該控制器控制紅、綠、黃三個(gè)發(fā)光管循環(huán)發(fā)亮。要求紅發(fā)光管亮2秒，綠發(fā)光管亮3秒，黃發(fā)光管亮1秒。2.QuartusII軟件簡(jiǎn)介2.1QuartusII軟件介紹QuartusII是Alera公司推出的一款功能強(qiáng)大，兼容性最好的EDA工具軟件。該軟件界面友好、使用便捷、功能強(qiáng)大，是一個(gè)完全集成化的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境，具有開(kāi)放性、與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)、多平臺(tái)完全集成化豐富的設(shè)計(jì)庫(kù)、模塊化工具、支持多種硬件描述語(yǔ)言及有多種高級(jí)編程語(yǔ)言接口等特點(diǎn)。QuartusII是Altera公司推出的CPLD/FPGA開(kāi)發(fā)工具，QuartusII提供了完全集成且與電路結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的開(kāi)發(fā)包環(huán)境，具有數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)的全部特性，包括：可利用原理圖、結(jié)構(gòu)框圖、VerilogHDL、AHDL和VHDL完成電路描述，并將其保存為設(shè)計(jì)實(shí)體文件；芯片平面布局連線編輯；功能強(qiáng)大的邏輯綜合工具；完備的電路功能仿真與時(shí)序邏輯仿真工具；定時(shí)/時(shí)序分析與關(guān)鍵路徑延時(shí)分析；可使用SignalTapII邏輯分析工具進(jìn)行嵌入式的邏輯分析；支持軟件源文件的添加和創(chuàng)建，并將它們鏈接起來(lái)生成編程文件；使用組合編譯方式可一次完成整體設(shè)計(jì)流程；自動(dòng)定位編譯錯(cuò)誤；高效的期間編程與驗(yàn)證工具；可讀入標(biāo)準(zhǔn)的EDIF網(wǎng)表文件、VHDL網(wǎng)表文件和Verilog網(wǎng)表文件；能生成第三方EDA軟件使用的VHDL網(wǎng)表文件和Verilog網(wǎng)表文件2.2QuartusII軟件設(shè)計(jì)流程打開(kāi)QuartusII軟件選擇路徑。添加設(shè)計(jì)文件。選擇FPGA器件。建立原理圖或用VHDL語(yǔ)言描述設(shè)計(jì)電路。對(duì)原理圖或用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編譯，無(wú)誤后進(jìn)行添加信號(hào)。對(duì)上述電路進(jìn)行仿真。進(jìn)行管腳分配。全局編譯。采用JTAG或AS模式進(jìn)行下載測(cè)試。3EDA技術(shù)EDA技術(shù)是用于電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中比較先進(jìn)的技術(shù)，可以代替設(shè)計(jì)者完成電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的大部分工作，而且可以直接從程序中修改錯(cuò)誤及系統(tǒng)功能而不需要硬件電路的支持，既縮短了研發(fā)周期，又大大節(jié)約了成本，受到了電子工程師的青睞。實(shí)現(xiàn)循環(huán)彩燈控制器的控制方法很多，可以用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件、可編程序控制器PLC、單片機(jī)等方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是這些控制方法的功能修改及調(diào)試都需要硬件電路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系統(tǒng)調(diào)試的困難。因此，在設(shè)計(jì)中采用EDA技術(shù)，應(yīng)用目前廣泛應(yīng)用的VHDL硬件電路描述語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)循環(huán)彩燈控制器的設(shè)計(jì)。4設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)一個(gè)循環(huán)彩燈控制器，該控制器控制紅、綠、黃三個(gè)發(fā)光管循環(huán)發(fā)亮。要求紅發(fā)光管亮2秒，綠發(fā)光管亮3秒，黃發(fā)光管亮1秒。4.1設(shè)計(jì)分析實(shí)現(xiàn)循環(huán)彩燈控制的方案很多,不同的控制方案,其設(shè)計(jì)方法和思路也不一樣。設(shè)計(jì)一個(gè)循環(huán)彩燈控制器，該控制器控制紅、綠、黃三個(gè)發(fā)光管循環(huán)發(fā)亮。要求紅發(fā)光管亮2秒，綠發(fā)光管亮3秒，黃發(fā)光管亮1秒由以上所述可以看出,本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要產(chǎn)生如圖2所示的時(shí)序關(guān)系。其中,led_r、led_g、led_y分別表示紅燈、綠燈、黃燈的控制信號(hào)。圖1循環(huán)彩燈控制器的時(shí)序圖4.2循環(huán)彩燈控制器整體設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)功能要求,循環(huán)彩燈控制器的整體框圖如圖3所示,它主要由2輸出分頻器模塊、頻率選擇控制模塊和彩燈控制器模塊三部分組成。其中2輸出分頻器模塊fen_pin24將輸入的時(shí)鐘信號(hào)clk進(jìn)行2分頻、4分頻得到2種頻率信號(hào)div2、div4,同時(shí)還產(chǎn)生頻率選擇信號(hào)div16,div16應(yīng)是div4的倍數(shù),以控制每種頻率維持的時(shí)間長(zhǎng)短。頻率選擇控制模塊xuan_ze根據(jù)地址選擇端s將選擇不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)送給彩燈控制器模塊,實(shí)現(xiàn)彩燈閃爍的頻率變化。彩燈控制器模塊cai_deng是整個(gè)電路設(shè)計(jì)的核心,它負(fù)責(zé)整個(gè)設(shè)計(jì)的輸出效果,即彩燈圖案的樣式變化,rst為復(fù)位信號(hào),低電平有效。圖2彩燈控制器整體框圖圖3彩燈控制模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖4.3程序設(shè)計(jì)框圖圖4程序設(shè)計(jì)框圖4.4彩燈控制器模塊的程序設(shè)計(jì)及仿真由圖2的時(shí)序可以設(shè)計(jì)彩燈控制器模塊的有限狀態(tài)機(jī),彩燈控制器模塊正常工作時(shí)共有三種狀態(tài),其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖2。所示。當(dāng)復(fù)位信號(hào)rst=1有效時(shí),控制器模塊cai_deng的狀態(tài)由s0→s1→s2循環(huán),當(dāng)rst=0無(wú)效時(shí),控制器模塊的狀態(tài)均回到s0狀態(tài)。用有限狀態(tài)機(jī)編寫的VHDL彩燈控制器模塊的源程序如下:4.4.1VHDL源程序LIBRARYIEEE;

//標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYCAIDENG1IS

//實(shí)體聲明PORT(CLK,RST:INSTD_LOGIC;

//端口聲明

R,G,Y:OUTSTD_LOGIC);ENDCAIDENG1;ARCHITECTUREoneOFCAIDENG1IS

//結(jié)構(gòu)體TYPESTATE_TYPEIS(S0,S1,S2,S3,S4,S5);

//聲明自定義數(shù)據(jù)類型

SIGNAL

BEGIN

//功能描述

PROCESS(CLK,RST)

//進(jìn)程

BEGIN

IFRST='1'THENSTATE<=S0;

ELSIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENCASESTATEIS

WHENS0=>R<='1';G<='0';Y<='0';STATE<=S1;

//紅燈

WHENS1=>R<='1';G<='0';Y<='0';STATE<=S2;

//紅燈

WHENS2=>R<='0';G<='0';Y<='1';STATE<=S3;

//黃燈

WHENS3=>R<='0';G<='1';Y<='0';STATE<=S4;

//綠燈

WHENS4=>R<='0';G<='1';Y<='0';STATE<=S5;

//綠燈

WHENS5=>R<='0';G<='1';Y<='0';STATE<=S0;

//綠燈

ENDCASE;

ENDIF;

ENDPROCESS;

ENDone;4.4.2仿真圖5仿真波形圖4.5結(jié)果分析和總結(jié)（1）該控制器控制紅、黃、綠三個(gè)發(fā)光管循環(huán)發(fā)光，要求紅燈亮2秒，黃燈亮1秒，綠燈亮3秒。（2）發(fā)光時(shí)間由頻率為1HZ的脈沖控制。當(dāng)控制總開(kāi)關(guān)給出一個(gè)高電平后，各個(gè)彩燈按紅燈2秒，黃燈1秒，綠燈3秒依次點(diǎn)亮，循環(huán)發(fā)光。從仿真波形可以看出循環(huán)彩燈開(kāi)始工作時(shí)，紅燈先亮，并且繼續(xù)2s；2s后，紅燈滅，黃燈亮，并且繼續(xù)1s；1s后，黃燈滅，綠燈亮，并且繼續(xù)3s。如此循環(huán)。仿真結(jié)果基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。5心得體會(huì)通過(guò)此次的課程設(shè)計(jì)，使我學(xué)習(xí)到了許多新的認(rèn)識(shí)，要想完成一個(gè)設(shè)計(jì)，必須要有探索求知的精神和扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，必須熟練地掌握課本上專業(yè)基本的知識(shí)，只有這樣才能在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中還要有耐心去檢查程序發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中使我深刻的體會(huì)到要將自己所學(xué)的知識(shí)要應(yīng)用到實(shí)踐中去，同時(shí)要結(jié)合實(shí)際來(lái)做，還要翻閱大量的課外學(xué)習(xí)資料，向老師和同學(xué)請(qǐng)教，這樣才能一步一步完成實(shí)驗(yàn)使其趨于完善。這次循環(huán)彩燈控制器課程設(shè)計(jì)，讓我對(duì)系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)流程有了更清楚的認(rèn)識(shí)，也讓我認(rèn)識(shí)到一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)無(wú)論是在編程方面還是仿真方面都不容易。尤其是在編程時(shí)更是困難叢叢。不僅思路要正確而且專業(yè)術(shù)語(yǔ)要正確。這次課設(shè)，我了解到彩燈控制器的工作基本原理的同時(shí)，還基本掌握了QuartusII軟件的是用方法，還使我認(rèn)識(shí)到在做設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)沉著冷靜，遇到困難時(shí)候，應(yīng)當(dāng)冷靜思考，耐心的的尋找解決的方法，最終困難一定會(huì)被克服，還懂得了要把自己所學(xué)的知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)是非常重要的。一周的學(xué)習(xí)使我對(duì)彩燈控制器都有了大概的了解，更加深了我對(duì)自己所學(xué)的專業(yè)有了進(jìn)一步了解，也培養(yǎng)了我學(xué)習(xí)的興趣，在此也非常感謝老師認(rèn)真的指導(dǎo)，同時(shí)細(xì)心地為我們解決了許多困難。我們做設(shè)計(jì)絕對(duì)不能人云亦云，要有自己的看法，這樣我們就要有充分的準(zhǔn)備，若是做了也不知道是個(gè)什么設(shè)計(jì)，那么做了也是白做。設(shè)計(jì)總是與課本知識(shí)相關(guān)的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們應(yīng)該盡量減少操作的盲目性提高設(shè)計(jì)效率的保證，有的人一開(kāi)始就趕著做，結(jié)果卻越做越忙，主要就是這個(gè)原因。我也曾經(jīng)犯過(guò)這樣的錯(cuò)誤。我們做設(shè)計(jì)不要一成不變和墨守成規(guī)，應(yīng)該有改良創(chuàng)新的精神。實(shí)際上，在弄懂了設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，我們的時(shí)間是充分的，做實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是游刃有余的，如果說(shuō)創(chuàng)新對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是件難事，那改良總是有可能的。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我們要培養(yǎng)自己