LED點燈實驗報告

1、LED 點燈實驗報告華中科技大學 電信提高班1101 一實驗目的：設計多種方案點亮DE2開發(fā)板上的LED燈，熟悉使用DE2開發(fā)板。2 方案設計：方案一：設計一個計數器，通過計數器輸出十進制數值的奇偶性來控制LED燈的亮與暗Step1：設計一個計數規(guī)律為4-5-6-7-8-9-4-5-6-7-8-9-4.的計數器1. 設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。該設計電路我在quartus上，采用verilog HDL語言實現。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. 設計計數電路計數電路通過芯片74191實現，由于在計數器到9時重新由4開始計數，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。在quartus上設計的電路如下圖，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果。（4-9計數，譯碼電路）（電路引腳分配截圖）該電路點亮LED燈的方法是：十進制計數輸出為奇數是，LED燈亮，輸出為偶數時，LED燈滅，電路在DE2開發(fā)板實現的結果錄像在附件中。方案二：模仿交通燈的

3、設計，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計，其基本原理是：在一定時間內顯示紅燈，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，應該先做一個模八的倒計時計數器，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模為8服務，在quartus上連接的電路如下截圖所示：（紅綠燈模擬電路連線）實驗測試結果

4、應該為每次倒計時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。那么通過電路設計，可以模擬出射擊小游戲中的槍彈射擊過程。設計電路中，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構成一個0-9的計數器，然后把計數器的輸出，作為數據選擇器的輸入，電路中我使用的芯片為7442數據選擇器芯片，然后把數據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。由于數據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。實驗設計電路如圖所示：（“子彈發(fā)射”模型設計電路）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設計4to1的數據選擇器如今我們需要的數據選擇器的要求如下：數據輸入端口為：W0,W1,W2,W3，選擇輸入端口為S0，S1；輸出為一位的F。當S0=0，S1=0時，F為W0；當S0=1，S1=0時，F為W1；當S0=0，S1=1時，F為W2；當S0=1，S1=1時，F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數據選擇器，分別作為F3，F2，F1，F0的輸出，容易看出，輸出F3的選擇器W0應該連接X3，W1端口應該連接X2，W2端口應該連接X1，W3端口應該連接X0。以此類推，就能弄清楚每個端口應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，是根據如下圖分配引腳的：（圖四）圖四以下表格為數據測試表格，其輸入和輸出的真值關系如下表：X3X2X1X0X-1X-2X-3S1S0F3F2F1F010011100100111110000110000111001100111011

8、010101001011011011010110然后根據上述表格的輸入，在DE2板上得到輸出結果，如下圖所示，其中F3，F2，F1，F0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：模仿五進制計數器，一盞燈為個位計數指示燈，另一盞燈為進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進制計數器，在最高位QD端子輸出脈沖，和時間脈沖

9、進行一次與運算，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）該方案實現的結果已經用視頻進行展示，詳見附件。方案六：模仿霓虹燈的設計，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：模仿學生寢室亮燈的設計，通過開關來控制LED燈的亮與滅學生寢室亮燈，主要有兩個開關，一個開關在寢室內部，用于供學生使用，另一個開關由樓管阿姨控制，該開關對所有寢室的燈統(tǒng)一控制。若用0表示燈滅和開關斷開，用1表示燈亮和開關閉合，由于學生寢室的開關相互之間是互相獨立的，因此每個學生寢室的開關情況與樓管總開關的關系是一樣的，則真值表如下圖所示：樓管總開關學生寢室開關燈000010100111現在我假設有四間學生寢室，于是就有四盞燈需要點亮，由以上真值表可以畫出電路圖：（寢室點燈電路設計圖）（引腳分配圖）在DE2開發(fā)板上實現的仿真如下圖所

11、示，其中，從右數起第五個開關代表樓管開關，其余四個分別為四個寢室的開關。測試結果如下圖所示：方案八：通過輸入的二進制的數值的奇偶特性控制LED燈的亮與暗這里我設計的電路是一個三位二進制數值的奇偶校驗電路，當輸入的二進制數值a0a1a2是奇數的時候（即有奇數個1），LED燈就會發(fā)光，當輸入的二進制數值a0a1a2是偶數的時候（即有偶數個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的邏輯表達式。于是使用了異或門設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：（奇偶校驗電路設計圖）通過DE2開發(fā)板，測試的結果如下圖所示：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，但是充分體現了quartus軟件的仿真模擬功能以及DE2開發(fā)板對電路設計強大的仿真，模擬以及實現的功能。（高電平點亮LED燈電路設計圖）在DE2開發(fā)板上的測試結果如下截圖顯示：方案十：利用開關控制LED燈的亮與暗通過設計輸入輸出電路，然后輸入接到DE2開發(fā)板的開關引腳，輸出接到一盞紅色LED燈上，就可以實現通過開

13、關控制LED燈的亮與暗。設計電路如下圖：（開關控制LED燈亮暗實現電路以及引腳分配截圖）在DE2開發(fā)板上的測試結果如下截圖所示：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和根本，因此，我在這里把它們羅列出來。3 實驗總結1. 通過這次的完成LED燈點亮設計，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