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彩灯控制论文彩灯控制器论文基于VHDL的16路可调速彩灯控制器设计摘 要:彩灯作为一种常见的装饰,在生活中应用广泛。为了使彩灯变得更加绚丽多彩,这里在Quartus 开发环境下,用VHDL语言设计了一种可用于控制16路彩灯,具有4种彩灯变换模式,且变换速度可调的彩灯控制器。仿真结果表明,所设计的彩灯控制器成功地实现了4种变换模式的循环和各种变换速度的调节。最后,以ACEX1K系列EP1K30QC208芯片为硬件环境,验证了各项设计功能的正确性。 关键词:VHDL; 彩灯控制器; 变换模式; EP1K30QC208 Design of Adjustable Speed Sixteen Groups Illuminations Controller Based on VHDL ZHANG Xi-feng,QU Bao-peng (Electronics Engineer Department, Sh nxi Institute of Technology, Xian 710300,China) Abstract: The FPGA/CPLD is applied in digital system development extensively with the development of large scale integrated circuit. Illuminations which are common decorations have a broad application in daily life. In order to make the illuminations colorful, a switch speed adjustable controller which can control 16 groups of illuminations and has 4 switch patterns was designed with the language of VHDL in the environment of Quartus II. The simulation results indicate that the designed controller realized the cycle of 4 switch patterns and all sorts of speeds adjustable. The validity of whole designed functions is verified with the EP1K30QC208 chip of ACEX1K series. Keywords: VHDL; illuminations; controller; switch mode; EP1K30QC208 0 引 言 近年来,FPGA/CPLD发展迅速,随着集成电路制造工艺的不断进步,高性价比的FPGA/CPLD器件推陈出新1-3,使FPGA/CPLD成为当今硬件设计的重要途径,与传统电路设计方法相比,FPGA/CPLD具有功能强大、开发周期短、投资少,便于追踪市场变化及时修改产品设计以及开发工具智能化等特点4。在诸多FPGA/CPLD的设计语言中,VHDL语言作为一种主流的硬件描述语言,具有很强的电路描述和建模能力,能从多个层次对数字系统进行建模和描述,从而大大简化了硬件设计任务,提高了设计效率和可靠性,并在语言易读性和层次化、结构化设计方面,表现出了强大的生命力和应用潜力5-6。 Quartus 是Altera公司在21世纪初推出的FPGA/CPLD集成开发环境,是Altera公司前一代FPGA/CPLD集成开发环境Max+Plus的更新换代产品,其界面友好,使用便捷,功能强大,为设计者提供了一种与结构无关的设计环境,使设计者能方便的进行设计输入、快速处理和器件编程7-8。 本文在Quartus 开发环境下,用VHDL语言设计了一种可用于控制16路彩灯,具有4种彩灯变换模式,且变换速度可调的彩灯控制器。 1 16路可调速彩灯控制器设计思路 16路可调速彩灯控制器根据功能可分为3个部分,如图1所示。其中,8 Hz分频部分用于对频率为10 MHz的时钟信号进行分频,获得频率为8 Hz的时钟信号CLK8。CLK8作为速度控制部分的基准时钟,通过计数分频方式又可获得频率分别为4 Hz,2 Hz和1 Hz的时钟信号,然后由调速信号选择其中之一作为彩灯时钟信号CLKQ,CLKQ即为彩灯控制部分的基准时钟,用于决定彩灯变换的速度,由此实现调速信号SPD对彩灯变换速度的控制,使彩灯可调速。 图1 16路可调速彩灯原理图 彩灯控制部分通过输出1个16位二进制数(即彩灯输出信号Q)来控制16个彩灯,每一位二进制数对应1个彩灯的开关,当该位数字为“1”时灯亮,该位数字为“0”时灯灭。彩灯的变换共设置4种模式: s0模式:只亮1个灯,从最左端逐个移动到最右端,即输出信号Q从第15位开始将1个“1”依次移动到第0位; s1模式:只亮1个灯,从最右端逐个移动到最左端,即输出信号Q从第0位开始将1个“1”依次移动到第15位; s2模式:亮2个灯,同时从左右两端向中间移动,即输出信号Q从第15位开始将1个“1”依次移动到第8位,同时从第0位开始将1个“1”依次移动到第7位; s3模式:亮2个灯,同时从中间向左右两端移动,即输出信号Q从第8位开始将1个“1”依次移动到第15位,同时从第7位开始将1个“1”依次移动到第0位。 四种模式依次循环,若复位信号RST输入为高电平,则循环中断,输出信号Q置零,彩灯全灭,RST恢复为低电平后,再次从s0模式开始循环。 2 16路可调速彩灯控制器的实现 本文所设计的16路可调速彩灯控制器,其电路符号如图2所示,其中clk为10 MHz时钟信号输入端,rst为复位控制端,spd为调速信号输入端,q为彩灯控制信号输出端。 图2 16路可调速彩灯控制器的电路符号 本文所设计的16路可调速彩灯控制器的VHDL代码如下所示: LIBRARY IEEE; USE ieee.std_logic_1164.ALL; USE ieee.std_logic_unsigned.ALL; ENTITY lights16 IS PORT(clk: in std_logic;-10MHz时钟输入信号 rst: in std_logic;-复位信号 spd: in std_logic_vector(1 downto 0); q: out std_logic_vector(15 downto 0); END lights16; ARCHITECTURE one OF lights16 IS type states is (s0,s1,s2,s3);-定义4种模式 signal present:states; signal clk8hz:std_logic; signal clkq:std_logic; signal q1:std_logic_vector(15 downto 0); signal cnt:std_logic_vector(3 downto 0); BEGIN process(clk)-8Hz分频 variable count:integer range 0 to 624999; begin if clkevent and clk=1 then if count=624999 then clk8hzclkqclkqclkqclkq=clk8Hz; end case; end process; -系统复位 process(clkq,rst) begin if rst=1 then present=s0;q10); elsif clkqevent and clkq=1 then case present is -s0模式:从左到右逐个点亮LED when s0= if q1=0000000000000000 then q1=1000000000000000; elsif cnt=1111 then cnt0); q1=0000000000000001; present=s1; else q1=q1(0)&q1(15 downto 1); cnt=cnt+1;present if cnt=1111 then cnt0); q1=1000000000000001; present=s2; else q1=q1(14 downto 0)&q1(15); cnt=cnt+1;present if cnt=1111 then cnt0); q1=0000000110000000; present=s3; else q1(15 downto 8)=q1(8)&q1(15 downto 9); q1(7 downto 0)=q1(6 downto 0)&q1(7); cnt=cnt+1;present if cnt=1111 then cnt0); q1=1000000000000000;present=s0; else q1(15 downto 8)=q1(14 downto 8)&q1(15); q1(7 downto 0)=q1(0)&q1(7 downto 1); cnt=cnt+1;present=s3; end if; end case; end if; end process; q=q1; END ARCHITECTURE one; 值得注意的是,本文设计的16路可调速彩灯控制器使用了数据循环算法,较以往的case when语句10,更加简洁,实现的功能更加强大,其具有如下特点: (1) 在硬件验证时,将速度控制端spd的pin脚接到拨码开关上,从而实现彩灯变换速度快慢的手动控制,在更进一步的设计中,也可以通过对spd信号的内部控制,实现各种变换速度的自动调整。 (2) 该设计采用数据移位的方式实现彩灯的变换,更有利于彩灯变换模式的扩展。该设计虽然只设计了4种变换模式,但可以根据需要轻松的扩展至68种模式,甚至更多。 (3) 8 Hz分频部分的分频比很大,不适于计算机仿真验证,在仿真时需要调小分频比,在硬件验证时再恢复较大的分频比。 3 仿真结果分析 本文设计的16路可调速彩灯控制器在Quartus 开发环境下进行了仿真验证,仿真波形如图3所示。仿真结果分析如下: (1) clk为时钟信号,由时钟信号的上升沿触发分频器计数; (2) rst为复位信号输入端,当其为高电平时,彩灯控制输出信号q清零,rst恢复为低电平后彩灯控制输出信号q从s0模式重新开始循环; (3) spd为调速信号输入端,对应于spd的“00”,“01”,“10”,“11”这4个数值,彩灯变换的速度分别为1 Hz,2 Hz,4 Hz,8 Hz; (4) q为彩灯控制信号输出端,由图3可知,该设计成功地实现了4种变换模式的循环和各种变换速度的调节。 图3 16路可调速彩灯控制器仿真波形 4 结 语 设计的16路可调速彩灯控制器在Quartus 开发环境下进行了仿真验证后,下载到湖北众友科技实业股份有限公司的ZY11EDA13BE实验箱中进行了硬件验证,该实验箱使用ACEX1K系列EP1K30QC208芯片作为核心芯片,实验证明设计正确,功能完整,运行稳定。另外,本文所设计的16路可调速彩灯控制器可根据需要增加更多的变换模式,使彩灯更加绚丽多姿。 参考文献 1潘松,黄继业.EDA技术实用教程M.北京:科学出版社,2004. 2康华光.电子技术基础(数字部分)M.北京:高等教育出版社,2004. 3马或,王丹利,王丽英.CPLD/FPGA可编程逻辑器件实用教程M.北京:机械工业出版社,2006. 4侯伯亨,顾新.VHDL硬件描述语言与数字