LED點燈實驗報告

1、LED 點燈實驗報告華中科技大學(xué) 電信提高班1101 一實驗?zāi)康模涸O(shè)計多種方案點亮DE2開發(fā)板上的LED燈，熟悉使用DE2開發(fā)板。2 方案設(shè)計：方案一：設(shè)計一個計數(shù)器，通過計數(shù)器輸出十進(jìn)制數(shù)值的奇偶性來控制LED燈的亮與暗Step1：設(shè)計一個計數(shù)規(guī)律為4-5-6-7-8-9-4-5-6-7-8-9-4.的計數(shù)器1. 設(shè)計分頻電路該電路的作用是把一個頻率為50MHz的電源分頻為1Hz的電源。該設(shè)計電路我在quartus上，采用verilog HDL語言實現(xiàn)。源代碼如下截圖：說明：分頻器的源代碼截圖然后將這段代碼生成一個元件，如下圖，其中有一個50MHz的輸入端口，有一個1Hz的輸出端口。說明：生

2、成的分頻器元件說明： In：輸入脈沖頻率（50MHZ） Out：輸出脈沖頻率（1HZ）2. 設(shè)計計數(shù)電路計數(shù)電路通過芯片74191實現(xiàn)，由于在計數(shù)器到9時重新由4開始計數(shù)，因此在QDQCQBQA輸出為1010的時候，反饋給74191的載入端子，使其重新載入DCBA=0100，開始計數(shù)。在quartus上設(shè)計的電路如下圖，其中Lab05元件為七段顯示譯碼器件，用于接入發(fā)光二極管，從而比較直觀地驗證結(jié)果。（4-9計數(shù)，譯碼電路）（電路引腳分配截圖）該電路點亮LED燈的方法是：十進(jìn)制計數(shù)輸出為奇數(shù)是，LED燈亮，輸出為偶數(shù)時，LED燈滅，電路在DE2開發(fā)板實現(xiàn)的結(jié)果錄像在附件中。方案二：模仿交通燈的

3、設(shè)計，控制紅色和綠色的LED燈的亮與滅該方案是通過一盞紅色LED燈和綠色LED燈來簡易地模仿交通燈的設(shè)計，其基本原理是：在一定時間內(nèi)顯示紅燈，然后開始倒計時，過了一定時間后，就顯示一段時間的綠燈，再倒計時，然后重新顯示紅燈。在這個實驗中我簡化了交通燈的模型，紅燈和綠燈的倒計時間一樣，都設(shè)定為8秒，即計時器顯示為8-7-6-5-4-3-2-1-8-7-6-5-4-3-2-1.于是，應(yīng)該先做一個模八的倒計時計數(shù)器，這個功能我通過芯片74191完成。而紅燈綠燈的切換顯示我通過一個JK觸發(fā)器完成，其余的主要是為實現(xiàn)模為8服務(wù)，在quartus上連接的電路如下截圖所示：（紅綠燈模擬電路連線）實驗測試結(jié)果

4、應(yīng)該為每次倒計時8到1的時候，都只會有一盞燈亮，然后到下一個8到1倒計時的時候，就會換成另一種顏色的LED燈亮，而原來亮的LED燈會滅掉。在DE2開發(fā)板上的實現(xiàn)詳見附件：方案三：模仿射擊小游戲中的子彈發(fā)射過程，控制18盞紅色LED燈和2盞綠色LED燈的亮與滅如今假設(shè)從右往左開槍射擊，特別地用兩盞綠色LED燈代表槍頭，每次綠色LED燈亮就代表開槍射擊，用兩盞發(fā)光的紅色LED燈代表射出的槍彈，開槍后槍彈從右往左運動，設(shè)計中用兩盞發(fā)光的紅色LED燈從右往左運動代表。那么通過電路設(shè)計，可以模擬出射擊小游戲中的槍彈射擊過程。設(shè)計電路中，使用了一個使50MHz分頻成12Hz的分頻器，是通過verilog代

5、碼編寫的分頻元件，其verilog代碼如下截圖所示：（50MHz-12Hz分頻器代碼截圖）然后通過芯片7490構(gòu)成一個0-9的計數(shù)器，然后把計數(shù)器的輸出，作為數(shù)據(jù)選擇器的輸入，電路中我使用的芯片為7442數(shù)據(jù)選擇器芯片，然后把數(shù)據(jù)選擇器的每個輸出端口連接到相鄰的兩個LED燈上去，就完成了簡化后的“子彈發(fā)射”模型。由于數(shù)據(jù)選擇器的輸出是高電平，因此在7442芯片的輸出都加了一個非門把電平置反。實驗設(shè)計電路如圖所示：（“子彈發(fā)射”模型設(shè)計電路）在DE2開發(fā)板上的測試成果詳見附件中的視頻，部分截圖如下所示：方案四：設(shè)計一個四比特移位器，利用移位器控制四盞LED燈的亮與暗Step1：運用verilog

6、 HDL設(shè)計4to1的數(shù)據(jù)選擇器如今我們需要的數(shù)據(jù)選擇器的要求如下：數(shù)據(jù)輸入端口為：W0,W1,W2,W3，選擇輸入端口為S0，S1；輸出為一位的F。當(dāng)S0=0，S1=0時，F(xiàn)為W0；當(dāng)S0=1，S1=0時，F(xiàn)為W1；當(dāng)S0=0，S1=1時，F(xiàn)為W2；當(dāng)S0=1，S1=1時，F(xiàn)為W3；于是，得到的verilogHDL語句如下截圖（圖一）：圖一通過這段程序所建模出來的4to1選擇器元件如圖二：圖二Step2：設(shè)計一個移位器 通過分析得到如下輸出表格：S1S0F3F2F1F0通過端口00X3X2X1X0W001X2X1X0X-1W110X1X0X-1X-2W211X0X-1X-2X-3W3 因此，

7、用四個4-to-1數(shù)據(jù)選擇器，分別作為F3，F(xiàn)2，F(xiàn)1，F(xiàn)0的輸出，容易看出，輸出F3的選擇器W0應(yīng)該連接X3，W1端口應(yīng)該連接X2，W2端口應(yīng)該連接X1，W3端口應(yīng)該連接X0。以此類推，就能弄清楚每個端口應(yīng)該連接哪一個輸入端子。 通過連接，得到如下的電路圖，如圖三： 圖三Step3：測試運用DE2的LEDR燈，高電平發(fā)光，低電平不發(fā)光的特性，用作測試工具測試的時候，是根據(jù)如下圖分配引腳的：（圖四）圖四以下表格為數(shù)據(jù)測試表格，其輸入和輸出的真值關(guān)系如下表：X3X2X1X0X-1X-2X-3S1S0F3F2F1F010011100100111110000110000111001100111011

8、010101001011011011010110然后根據(jù)上述表格的輸入，在DE2板上得到輸出結(jié)果，如下圖所示，其中F3，F(xiàn)2，F(xiàn)1，F(xiàn)0分別代表前四個LED燈的亮暗情況，1為燈亮，0為燈滅：（上表的第一種情況，三、四燈亮)（上表的第二種情況，燈全滅)（上表的第三種情況，燈全滅)（上表的第四種情況，二、四燈亮)（上表的第五種情況，二、三燈亮)方案五：模仿五進(jìn)制計數(shù)器，一盞燈為個位計數(shù)指示燈，另一盞燈為進(jìn)位指示燈輸入為一個500MHz的時間脈沖，通過分頻器使之輸出1Hz的時間脈沖，使用這個1HZ的時間脈沖點亮一盞LED燈，然后通過芯片7490，使用5進(jìn)制計數(shù)器，在最高位QD端子輸出脈沖，和時間脈沖

9、進(jìn)行一次與運算，就可以得到一個和時間脈沖高電平時間相同的高電平，把它作為第二盞LED燈的點亮脈沖。通過時間脈沖點亮一盞LED燈，用頻率為時間脈沖頻率的五分之一的脈沖點亮另一盞LED燈。設(shè)計的邏輯電路圖如下：（邏輯電路圖） （兩盞LED燈的波形圖）該方案實現(xiàn)的結(jié)果已經(jīng)用視頻進(jìn)行展示，詳見附件。方案六：模仿霓虹燈的設(shè)計，使兩盞LED燈交替閃亮輸入為一個500MHz的時間脈沖，通過分頻器使之輸出1Hz的時間脈沖，使用這個1HZ的時間脈沖點亮一盞LED燈，然后通過一個非門，對時間脈沖進(jìn)行處理，輸出在點亮一盞LED燈，這樣就可以使兩盞LED燈交替點亮，一盞在時間脈沖高電平點亮，另一盞在時間脈沖的低電平點

10、亮。設(shè)計的邏輯電路圖如下：（邏輯電路圖）（引腳分配截圖）方案七：模仿學(xué)生寢室亮燈的設(shè)計，通過開關(guān)來控制LED燈的亮與滅學(xué)生寢室亮燈，主要有兩個開關(guān)，一個開關(guān)在寢室內(nèi)部，用于供學(xué)生使用，另一個開關(guān)由樓管阿姨控制，該開關(guān)對所有寢室的燈統(tǒng)一控制。若用0表示燈滅和開關(guān)斷開，用1表示燈亮和開關(guān)閉合，由于學(xué)生寢室的開關(guān)相互之間是互相獨立的，因此每個學(xué)生寢室的開關(guān)情況與樓管總開關(guān)的關(guān)系是一樣的，則真值表如下圖所示：樓管總開關(guān)學(xué)生寢室開關(guān)燈000010100111現(xiàn)在我假設(shè)有四間學(xué)生寢室，于是就有四盞燈需要點亮，由以上真值表可以畫出電路圖：（寢室點燈電路設(shè)計圖）（引腳分配圖）在DE2開發(fā)板上實現(xiàn)的仿真如下圖所

11、示，其中，從右數(shù)起第五個開關(guān)代表樓管開關(guān)，其余四個分別為四個寢室的開關(guān)。測試結(jié)果如下圖所示：方案八：通過輸入的二進(jìn)制的數(shù)值的奇偶特性控制LED燈的亮與暗這里我設(shè)計的電路是一個三位二進(jìn)制數(shù)值的奇偶校驗電路，當(dāng)輸入的二進(jìn)制數(shù)值a0a1a2是奇數(shù)的時候（即有奇數(shù)個1），LED燈就會發(fā)光，當(dāng)輸入的二進(jìn)制數(shù)值a0a1a2是偶數(shù)的時候（即有偶數(shù)個1），LED燈就不發(fā)光。輸入與輸出的真值表如下所示：a0a1a2output00000011010101101001101011001111于是，通過卡諾圖化簡法，可以得出output和a0a1a2的邏輯表達(dá)式。于是使用了異或門設(shè)計了如下奇偶校驗電路，通過輸出的高

12、低電平，控制LED燈的亮與暗：（奇偶校驗電路設(shè)計圖）通過DE2開發(fā)板，測試的結(jié)果如下圖所示：方案九：直接從DE2開發(fā)板中使用高電平點亮LED燈這種方案是利用了DE2開發(fā)板多功能仿真的特點，直接在設(shè)計電路中給輸出接上一個高電平，然后輸出接上一個紅色LED燈，從而使燈點亮。該方案比較簡單，但是充分體現(xiàn)了quartus軟件的仿真模擬功能以及DE2開發(fā)板對電路設(shè)計強(qiáng)大的仿真，模擬以及實現(xiàn)的功能。（高電平點亮LED燈電路設(shè)計圖）在DE2開發(fā)板上的測試結(jié)果如下截圖顯示：方案十：利用開關(guān)控制LED燈的亮與暗通過設(shè)計輸入輸出電路，然后輸入接到DE2開發(fā)板的開關(guān)引腳，輸出接到一盞紅色LED燈上，就可以實現(xiàn)通過開

13、關(guān)控制LED燈的亮與暗。設(shè)計電路如下圖：（開關(guān)控制LED燈亮暗實現(xiàn)電路以及引腳分配截圖）在DE2開發(fā)板上的測試結(jié)果如下截圖所示：之所以在這里列出方案八方案九這兩種最簡單的控制LED燈亮暗的方法，是因為我之前的七個方案都是基于這兩種方案拓展出去，添加別的設(shè)計從而點亮LED燈的?？梢哉f方案八和方案九是我所有點燈方案的基礎(chǔ)和根本，因此，我在這里把它們羅列出來。3 實驗總結(jié)1. 通過這次的完成LED燈點亮設(shè)計，使我對DE2開發(fā)板的開發(fā)與使用更加熟悉了。通過軟件可以輕易模擬出電路，芯片功能等等，通過DE2開發(fā)板則彌補了軟件所欠缺的硬件實現(xiàn)部分，通過DE2開發(fā)板的可編程邏輯（FPGA），可以輕松使用DE2板上所攜帶的所有電路元件，輕易節(jié)省了實際中的連線操作所需要花費的大量時間。2. 對于一個實際問題，我們應(yīng)該首先將其抽象出一個電路模型，然后從模型出發(fā)，解決問題。比如我上面的交通燈亮燈問題，射擊過程，寢室樓棟亮燈管理等的模擬，都是