EDA课程设计 彩灯控制器.docx

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1、EDA课程设计 彩灯控制器电子设计自动化大作业 题 目 彩灯控制器的设计 学 院 *学院 班 级 电气* 学 号 * 姓 名 * 二O一二年十月三十一日 彩灯控制器的设计 一、彩灯控制器的设计要求 设计能让一排彩灯(8只)自动改变显示花样的控制系统，发光二极管可作为彩灯用。控制器应有两种控制方式： 规则变化。变化节拍有05秒和0x秒两种，交替出现，每种节拍可有4种花样，各执行一或二个周期后轮换。 随机变化。无规律任意变化。 二、彩灯控制器的设计原理 本次彩灯控制器的设计包含几个主要模块， 一是彩灯显示和扬声器的时序控制部分， 二是 发光二极管的动态显示和数码管的动态显示，本次设计中，二者的显示

2、同步变化；三是扬声 器的控制部分。流程图如下所示： 图 1 彩灯控制器的设计流程图 彩灯控制器的设计核心主要是分频器的使用，显示部分的设计较简易。分频的方法有很 多种，本次设计之采用了其中较简易的一种，通过计数器的分频，将控制器外接的频率分为 几个我们预先设定的值。当计数器达到预先设定的值，即产生一个上升沿，从而实现分频。 扬声器通过不同的频率控制发出不同的声音。 同样发光二极管和数码管的显示速度也由其中 分出来的一种频率控制 。通过使能端的控制可以控制不同 的数码管显示预先设定的图案，数码管依次显示的图案为 AA、BB、CC，并随着发光二极 管同步动态显示。AA 为自左向右显示，BB 为自右

3、向左显示，CC 从二边向中间再由中间向 二边发散显示。与此同时，显示不同的花型时扬声器发出不同的声音，代表不同的花型。本 次设计还带有复位功能，通过复位可以使彩灯控制器恢复到最初的状态。 三、程序设计和分析 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; 建立设计库和标准程序包 实体部分： entity pan is port(clk:in std_logic; clr:in std_logic; speak:out std_logic; led7s1:out std_logic_vecto

4、r(6 downto 0); led7s2:out std_logic_vector(7 downto 0); led_selout:out std_logic_vector(7 downto 0); end entity; 实体名为 pan,定义端口，输入端口为 clk 和 clr ,其中 clk 接脉冲信号，clr 接复位端；输出 端口 speak 接扬声器，led7s1 接数码管的七段显示部分，led7s 接八个发光二极管，led_selout 接八个数码管的使能端，控制数码管的循环显示。 结构体部分： architecture one of pan is signal s: std_l

5、ogic_vector(4 downto 0); signal clk1:std_logic; signal clk2:std_logic; signal clk3:std_logic; 定义 4 个信号，cq,cllk1,clk2,clk3. process(clk) variable a:std_logic_vector(5 downto 0); begin if clr=1 then clk1=0; else if clkevent and clk=1then if a=110010then a:=000000; clk1=1; else a:=a+1; clk1=0; end if;

6、end if; end if; end process; 以上程序为第一次分频，为 50 分频，当 clk 发生变化，使 a 从 000000 变化到 110010 时 产生一个上升沿 clk1。如果 a 没有变化到 110010 则 a 继续自加，直到 110010 为止产生下一 个上升沿。 process(clk) variable b:std_logic_vector(4 downto 0); begin if clr=1 then clk2=0; -复位信号 else if clkevent and clk=1then if b=11001then b:=00000; clk2=1;

7、else b:=b+1; clk2=0; e nd if; end if; end if; end process; 以上程序为对 clk 进行 25 分频，原理同上，产生信号clk2。 process(clk) variable c:std_logic_vector(2 downto 0); begin if clr=1 then clk3=0; -复位信号 else if clkevent and clk=1then if c=111then c:=000; clk3=1; else c:=c+1; clk3=0; end if; end if; end if; end process;

8、以上程序为对 clk 进行 8 分频，产生一个新的时钟脉冲信号 clk3。 数码管及二极管循环显示时序控制程序： process(clk2) variable z:integer range 0 to 20; begin if clr=1 then s=00000; -复位信号 else if clkevent and clk=1then z:=z+1; if z=20then s=s+1;s:=0; if s=10111 then s=00000; else sled7s1=0001000;led7s2=01111111;speak=clk1;led_seloutled7s1=0001000

9、;led7s2=10111111;speak=clk1;led_seloutled7s1=0001000;led7s2=11011111;speak=clk1;led_seloutled7s1=0001000;led7s2=11101111;speak=clk1;led_seloutled7s1=0001000;led7s2=11110111;speak=clk1;led_seloutled7s1=0001000;led7s2=11111011;speak=clk1;led_seloutled7s1=0001000;led7s2=11111101;speak=clk1;led_seloutle

10、d7s1=0001000;led7s2=11111110;speak=clk1;led_seloutled7s1=0000011;led7s2=11111110;speak=clk2;led_seloutled7s1=0000011;led7s2=11111101;speak=clk2;led_seloutled7s1=0000011;led7s2=11111011;speak=clk2;led_seloutled7s1=0000011;led7s2=11110111;speak=clk2;led_seloutled7s1=0000011;led7s2=11101111;speak=clk2;

11、led_seloutled7s1=0000011;led7s2=11011111;speak=clk2;led_seloutled7s1=0000011;led7s2=10111111;speak=clk2;led_seloutled7s1=0000011;led7s2=01111111;speak=clk2;led_seloutled7s1=1000110;led7s2=01111110;speak=clk3;led_seloutled7s1=1000110;led7s2=10111101;speak=clk3;led_seloutled7s1=1000110;led7s2=11011011

12、;speak=clk3;led_seloutled7s1=1000110;led7s2=11100111;speak=clk3;led_seloutled7s1=1000110;led7s2=11100111;speak=clk3;led_seloutled7s1=1000110;led7s2=11011011;speak=clk3;led_seloutled7s1=1000110;led7s2=10111101;speak=clk3;led_seloutled7s1=1000110;led7s2=01111110;speak=clk3;led_seloutnull; end case; en

13、d process; end; 此段程序就是当敏感信号 s 发生变化至 10000 时，对数码管进行置位和置型，1000110 也就是对相应的数码管使之显示花型为 C，通过对数码管使能端的置位，控制显示的数码管 显示为 CC ，并且发光二极管最左边第一个和最右边第一个显示为亮。当 S 每变化一次， 数码管向中间移动一格， 发光二极管也同步中间移动， 可以看到由二边向中间移动再发散到 二边的变化过程。当 s 变化到 10111 之后执行再循环显示 A 花型，同时扬声器发出声音。 四、波形仿真分析 程序经过编译之后即可进行波形的仿真，为了方便观察显示结果，这里调节仿真时间为 3us ,脉冲频率 c

14、lk 的周期为 5ns，复位信号暂且不进行仿真.。执行 Quartus 软件中的 processing- start simulation 选项，即可观察到波形仿真图像。如下图所示为显示花型 AA 的仿真结果。 图 2 花型 A 波形仿真图 由图 2 可知，当 clk 发生变化，来上升沿时，led7s1 为 0001000 即数码管首先显示为花 型 A 二极管按规定的显示，首先 led7s2 位 01111111 即最右边的二极管亮灯，led_selout 为 11000000 即最右边的 2 个数码管显示 2 个 A 的花型。当 clk 变化到规定次数时二极管的显 示开始按左移动，数码显示管

15、也向左移动。Led7s2 依次变化 0111111111111110，实现二极 管的向左移动；led_selout 也依次变化 1100000000000011 实现数码显示管的向左移动。同 时当 clk 信号变化 50 次时产生一个上升沿 clk1，控制扬声器发出声音。 图 3 花型 BB 的波形仿真图 由图 3 可知，当 clk 发生变化，来上升沿时，led7s1 为 0000011 即数码管首先显示为花 型 B 二极管按规定的显示，首先 led7s2 位 11111110 即最右边的二极管亮灯，led_selout 为 00000011 即最右边的 2 个数码管显示 2 个 B 的花型。

16、当 clk 变化到规定次数时二极管的显 示开始向右移动，数码显示管也向右移动。Led7s2 依次变化 1111111001111111，实现二极 管的向右移动；led_selout 也依次变化 0000001111000000 实现数码显示管的向右移动。同 时当 clk 信号变化 25 次时产生一个上升沿 clk2，控制扬声器发出声音。 图 4 花型 C 的波形仿真图 由图 4 可知 当 clk 发生变化， 来上升沿时， led7s1 为 1000110 即数码管首先显示为花 型 C 二极管按规定的显示，首先 led7s2 位 01111110 即最右边和最右边的二极管亮灯， led_selo

17、ut 为 10000001 即最右边和最左边的 2 个数码管显示 2 个 C 的花型。 clk 变化到规 当 定次数时二极管的显示开始向中间移动， 数码显示管中的花型也向中间移动， 然后再由中间 向俩边移动。 Led7s2 依次变化 011111101110011101111110， 实现二极管的向中间移动再向 俩边移动； led_selout 也依次变化 100000010001100010000001 实现数码显示管的向中间再 向俩边移动。同时当 clk 信号变化 8 次时产生一个上升沿 clk3，控制扬声器发出声音。 波形仿真完成之后即可进行引脚的分配，并进行编程下载至硬件进行测试。在

18、Quartus 中选择 Assignments-Assignments Editor,在 Assignments Editor 窗口中选择 pin 标签页，即可 分配引脚，引脚的分配情况如图 5 所示。 图 5 引脚分配图 如上图所示，在实验过程中 clk 的引脚选择 J16 即可外接频率源，实验过程中选择的频 率为 1KHZ。其余数码管和二极管以及 8 个数码管的使能端引脚分配见上图，复位键引脚 T10 对应的按键。选择 process-start compilation,重新编译，完成后形成可配置到 FPGA 的 pan.sof 文件和配置到外部的 pan.pof 文件。 编程下载，在 q

19、uartus 软件中，选择 tools/programmer，在 Mode 中选择 JTAG，点击”add file” 按钮添加需要配置的 pan.sof 文件，选中 program /configure，点击 start 按钮对芯片进行 配置，等待一段时间后即可观察到实验结果。 在实验箱上，我们观察到实验结果按我们所设计的那样显示，即可显示我们预先设定的 三种花型 AA、BB、CC 并且能够按要求循环移动，发光二极管也可按设计要求循环闪烁，并与数码显示管的花型变化同步。 同时当显示不同的花型时扬声器发出了不同的声音。 当按 下复位键时我们可以看到数码显示管重新开始再最右边显示花型，并且扬声器

20、停止发声。这些实验结果验证所设计程序的正确性，实现了设计内容和要求，并且有了一定的扩展功能。 五、设计体会 本次EDA课程设计实验，我选择了彩灯控制器的设计实验，我将理论与实践充分地结合到一起。实践中验证理论，实践中发现新的问题，用所学到的理论知识去解决遇到的问题，在实验的过程中通过思考，摸索以及向老师、同学请教，我学到了不少知识，掌握了相关软件的操作，而这些是在书本中根本无法学到的，只有通过自己亲自实践，才会有所启发，才会有所收获。原来所学的书本知识在学习的时候感到枯燥无味，因此只是理解了个皮毛。但是，现在通过这次设计实验，使得我对书本知识有了一个更深入的理解，从根本上对有些问题有了一个全新

21、的看法，希望以后还有更多这样的实验机会。 由于实验的复杂性，所以在仿真的过程中也遇到了困难。仿真的过程不能急躁，要一步一步来，看波形之前要先检查其静态工作点，如果静态工作点都不满足要求如何能有波形，所以要先调静态，后再调动态。而且静态工作点的位置不好的话，也会导致波形的失真。 这次设计实验是我通过自身去解决，去分析，去探索的，我从中受益匪浅，也更深入地理解理论。 本次设计的课题是彩灯控制器的设计，这个课题的关键是计数器和分频器的使用，分频的方法有很多种，对于同一种功能的实现，用 VHDL可以采用多 种方式进行描述，每种方式之间各有优劣，本次设计只采用了其中较简单的一种，应尽量用 最简洁的语言写

22、出所需功能的程序。 通过这次课程设计对E技术有了更进一步的熟悉，VHDL 语言和语言等其他语 言还是有很大的区别。VHDL 是 EDA 技术的重要组成部分，其具有与具体硬件电路无关和与 设计平台无关的特性， 并且具有良好的电路行为描述和系统描述的能力， 并在语言易读性和 层次化、结构化设计方面，表现了强大的生命力和应用潜力。其主要的也是最大的优点就在 于设计者可以专心致力于其功能的实现， 而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过 多的时间和精力。在实际操作中发现设计和课本上的知识有很大联系，但又高于课本，一个 简单的原理要把它应用以及和其他功能综合起来就有些困难。 通过设计也巩固了我们的书本 知识以及通过借阅书籍和上网查找资料，也丰富了自己对的了解。 不过本次设计也存在一些不足，暴露了自己对的掌握还有所欠缺。在设计过程中，分频分的太大，频率太小的话，扬声器的声音体现不出显示不同花型时的区别；频率太 大的话，数码管显示速度太快，尝试分频时使用不同的脉冲信号，但没有成功。在反复调试 中，最后还是成功了，但原理还不是很清楚。同时，在课程设计过程中通过与老师、同学的 交流， 也了解了他们对于这门技术的看法和今后这门技术的发展方向， 也感谢老师对我设计的指导和同学对我的帮助。