基于FPGA的彩灯控制器设计.doc

II摘要本设计应用数字电子技术的逻辑器件设计电路原理图以及编写VHDL语言来进行分析也编写，并在QUATURSII软件上实现编译，调试，波形仿真与分析，以及下载到FPGA上运行,实现彩灯功能，并能自由控制彩灯循环点亮的快慢，从而实现出现实中彩灯的原理。最终完成的是灯光装饰中的彩灯循环点亮，数字计数以及频率调节等功能的设计。通过本实训，能够初步学会与理解QUATURSII软件与FPGA芯片的综合运用，还能有效地了解与实现现在生活中用到的与看到的，更深入地了解理论与生活的联系，从而更能了解社会，寻求发展方向。利用控制电路可使彩灯按一定的规律不断的改变状态，不仅可以获得良好的观赏效果，而且可以省电。循环彩灯的电路很多，循环方式更是五花八门。通过程序调试及运行仿真，结果表明，本程序可以完成：8个灯的循环、8个灯的可控制循环以及8个灯的不同花样的循环。本设计对更高层次的电子自动循环彩灯设计具有一定的拓展性。关键词：VHDL；彩灯控制；QUATURSII软件；FPGA芯片III目录引言.1第一章功能及要求.21.1设计目的.21.2设计要求.2第二章设计方案.错误!未定义书签。2.1PLC技术电子彩灯自动循环设计.22.2EDA的电子自动循环彩灯设计方案.3第三章EDA技术.431EDA的概念.43.2EDA的发展历程.43.4EDA技术的应用发展.5第四章VHDL语言.741VHDL的结构.7411实体.7412结构体.7413库.84.2VHDL的基本语句.8421顺序语句.8422并行语句.9第五章自动循环彩灯的设计.12第六章波形仿真、下载、测试.186.1下载与测试.186.2仿真波形.18总结.23致谢.24参考文献.251引言生活中小型的彩灯多为采用霓虹灯管做成各种各样和多种色彩的灯管，或是以日光灯、白炽灯作为光源，另配大型广告语、宣传画来达到效果。这些灯的控制设备多为数字电路。而在现代生活中，大型楼宇的轮廓装饰或大型晚会的灯光布景，由于其变化多、功率大，数字电路则不能胜任。针对EDA日益得到广泛应用的现状，本论文介绍彩灯控制中的应用，灯的亮灭、闪烁时间及流动方向的控制均通过EDA来达到控制要求。当今，随着EDA技术的发展及其应用的推进，EDA已成为系统自动化、信息化、远程化及智能化的重要支柱。因而，学习EDA不仅是自动化系统集成的设计、使用与维修人员的迫切要求。可编程序控制器是微型计算机技术与继电器常规控制技术结合的产物，是在顺序控制的基础上发毡起来的新型控制器。下面将全面介绍EDA，LED和彩灯控制器设计的整个过程。2第一章功能、要求及设计方案11设计目的1.进一步掌握数字电路课程所学的理论知识。2.了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学的分析和解问题，增强动手和实践能力。3.学习层次化设计步骤。4.学习EDA设计的仿真的硬件测试方法。1.2设计要求设计要求：1实现8个彩灯可以自动循环；2实现速度可以控制；3达到不同的循环图案(2种以上)；4.多种花型可以自由变化，循环往返。1.3PLC技术电子彩灯自动循环设计可编程控制器是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种是用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统续电器的替换产品而出现的。随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，可编程控制器更多地具有了计算机的功能，不仅能实现逻辑控制，还具有了数据处理、通信、网络等功能。由于它通过软件来改变控制过程，而且具体提及小、组装维护方便、编程简单、可靠性高、抗干扰能力强等特点，已广泛应用于工业控制的各个领域，大大推进了电机一体化的进程。1.3.1PLC的特点（1）高可靠性（2）编程简单，使用方便（可采用梯形编程方式，与世界续电器控制电路非常接近，一般电气工作者很容易接受）3（3）环境要求低（使用于恶劣的工作环境）（4）体积小，体重轻（5）扩充方便，组合灵活1.4EDA的电子自动循环彩灯设计方案EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。近几年来，硬件描述语言等设计数据格式的逐步标准化，不同设计风格和应用的要求导致各具特色的EDA工具被集成在同一个工作站上，从而使EDA框架日趋标准化。VHDL丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时对设计进行仿真模拟。其行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的分解和已有设计的在利用功能。4第二章EDA技术2.1EDA的概念EDA是电子设计自动化(E1echonicsDes5pAMtoM60n)的缩写。由于它是一门刚刚发展起来的新技术，涉及面广，内容丰富，理解各异，所以目前尚无一个确切的定义。但从EDA技术的几个主要方面的内容来看，可以理解为：EDA技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件的方式设计电子系统到硬件系统的一门新技术。可以实现逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化，逻辑布局布线、逻辑仿真。完成对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片。EDA技术是伴随着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的，至今已有30多年的历程。大致可以分为三个发展阶段。2.2EDA的发展历程20世纪70年代的CAD(计算机辅助设计)阶段：这一阶段的主要特征是利用计算机辅助进行电路原理图编辑，PCB布同布线，使得设计师从传统高度重复繁杂的绘图劳动中解脱出来。20世纪80年代的QtE(计算机辅助工程设计)阶段：这一阶段的主要特征是以逻辑摸拟、定时分析、故障仿真、自动布局布线为核心，重点解决电路设计的功能检测等问题，使设计而能在产品制作之前预知产品的功能与性能。20吐纪如年代是EDA(电子设计自动化)阶段：这一阶段的主要特征是以高级描述语言，系统级仿真和综合技术为特点，采用“自顶向下”的设计理念，将设计前期的许多高层次设计由EDA工具来完成。EDA是电子技术设计自动化，也就是能够帮助人们设计电子电路或系统的软件工具。该工具可以在电子产品的各个设计阶段发挥作用，使设计更复杂的电路和系统成为可能。在原理图设计阶段，可以使用EDA中的仿真工具论证设计的正确性；在芯片设计阶段，可以使用EDA中的芯片设计工具设计制作芯片的版图：在电路板设计阶段，可以使用EDA中电路板设计工具设计多层电路板。特别是支持硬件描述语言的EDA工具的出现，使复杂数字系统设计自动化成为可能，只要用硬件5描述语言将数字系统的行为描述正确，就可以进行该数字系统的芯片设计与制造。有专家认为，21世纪将是四A技术的高速发展期，EDA技术将是对21世纪产生重大影响的十大技术之一。2.3EDA技术的基本特征EDA代表了当今电子设计技术的最新发展方向，利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程在汁算机上自动处理完成。设计者采用的设计方法是一种高层次的”自顶向下”的全新设计方法，这种设汁方法首先从系统设计人手，在顶层进行功能方框图的划分和结构设计。在方框图一级进行仿真、纠错并用硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述，在系统一级进行驶证。然后，用综合优化工具生成具体门电路的网络表，其对应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路(ASIC)。设计者的工作仅限于利用软件的方式，即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。由于设计的主要仿真和调试过程是在高层次上完成的，这既有利于早期发现结构设计上的错误，避免设计工作的浪费，又减少了逻辑功能仿真的工作量，提高了设计的一次性成功率。由于现代电子产品的复杂度和集成度的日益提高，一般分离的中小规模集成电路组合已不能满足要求，电路设计逐步地从中小规模芯片转为大规模、超大规模芯片，具有高速度、高集成度、低功耗的可编程朋IC器件已蓬勃发展起来。在EDA技术中所用的大规模、超大规模芯片被称为可编程ASIC芯片，这些可编程逻辑器件自70年代以来，经历了CPm、IzPGA、CPLD、FPGA几个发展阶段，其中CPm(复杂可编程逻辑器件)IzPGA(现场可编程逻辑器件)肩高密度可编程逻辑器件，目前集成度已高达200万门片以上，它将掩模ASIC集成度高的优点和可编程逻辑器件设计生产方便的特点结合在一起，特别适合于样品研制或小批量产品开发，使产品能以最快的速度上市，而当市场扩大时，它可以很容易地转由掩模ASIC实现，因此开发风险也大为降低。可以说CPLE)FPGA器件，已成为现代高层次电子设计方法的实现裁体。2.4EDA技术的应用发展（1）CPLD/FPGA系统：使用EDA技术开发CPLD/FPGA，使自行开发的CPLD/FPGA作为电子系统、可控制系统、信息处理系统的主体。（2）“CPLD/FPGA+MCU”系统：使用EDA技术与单片机相接结合，使自行开发6的CPLD/FPGA+MCU作为电子系统、控制系统、信息处理系统的主体。（3）“CPLD/FPGA+专用DPS处理器”系统：将EDA技术与DSP专用处理器配置合使用，使自行开发的“CPLD/FPGA+专用DPS处理器”构成一个数字信号处理系统的整体。（4）基于FPGA实现的现代DSP系统：基于SOPC（aSystemonaProgrammableChip）技术、EDA技术与FPGA技术实现方式的现代DSP系统。（5）基于FPGA实现的SOC片商系统：使用超大规模的FPFA实现的内含1个或数个嵌入式CPU或DSP能够实现复杂系统功能的单一芯片系统。7第三章VHDL语言硬件描述语言是EDA技术的重要组成部分，VHDL是电子设计的主流硬件描述语言。VHDL（Very-lligh-speedIntegratedCiecuitHardwareDescriptionLanguage）。31VHDL的结构VHDL主要是由实体，结构体、库、程序包和配置构成，其中实体和结构体是必不可少的。311实体用VHDL进行的设计，无论简单与复杂，都可看成是一个“元件”，这个元件可以是一个反相器，出可以是一个CPU乃至整个系统。VHDL中的实体（ENTITY）部分就是对这个元件和外部电路之间的接口进行描述，可以看成是定义元件的引脚。实体语句结构格式：ENTITY实体名ISGENERIC（类属表）；PORT（端口表）；ENDENTITY实体名；实体语句以“ENTITY实体名；”结束，实体名的具体取名由设计者自定，但必须遵守VHDL标识符的有关规定。由于实体名实际上就是该设计电路的器件名，因此实体名最好根据电路的功能来取。312结构体实体语句可以看成是描述“元件”的引脚，而结构体则是描述元件内部的结构和逻辑功能。结构体的组成：·对数据类型、常数、信号、子程序及元件等元素的说明。