基于VHDL的彩燈控制器的設(shè)計(jì)

尚肖肖+劉言實(shí)

【摘 要】彩燈對(duì)于美化、亮化城市有著重要的作用。而彩燈控制器作為彩燈的一個(gè)重要部分更是備受關(guān)注。傳統(tǒng)的彩燈控制電路一般是由數(shù)字電路組成，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高且功率損耗大，而且電路的老化以及機(jī)械元件的變化將會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)電路電源開(kāi)關(guān)的不穩(wěn)定，最終使得彩燈經(jīng)常發(fā)生故障。本文設(shè)計(jì)了一種基于VHDL的彩燈控制器。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比，該設(shè)計(jì)具有速度快、體積小，重量輕的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】彩燈控制器；VHDL

0 引言

彩燈對(duì)于美化、亮化城市有著不可輕視的重要工作。因此作為城市裝飾的彩燈需求量越來(lái)越大，人們此時(shí)開(kāi)始關(guān)注彩燈的花型、創(chuàng)意等元素，而彩燈控制器作為彩燈的一個(gè)重要部分更是備受關(guān)注。基于傳統(tǒng)的機(jī)械和純電路的控制方式有著十分嚴(yán)重的弊端，傳統(tǒng)的彩燈控制電路一般是由數(shù)字電路組成，這種彩燈控制器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、損耗大，電路一旦老化以及機(jī)械元件的變化將導(dǎo)致觸發(fā)電路電源開(kāi)關(guān)不穩(wěn)定，使得彩燈經(jīng)常發(fā)生故障。

本設(shè)計(jì)是基于VHDL的彩燈控制器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED彩燈的控制。主要是以FPGA的最小系統(tǒng)作為主控核心與發(fā)光二極管、電阻、開(kāi)關(guān)等組成電路，利用軟件編譯實(shí)現(xiàn)彩燈花型變換的效果，可以有效地彌補(bǔ)原來(lái)傳統(tǒng)的彩燈控制電路的缺點(diǎn)和不足。

1 硬件設(shè)計(jì)

彩燈控制器的硬件部分可分為兩個(gè)模塊：主控核心和外圍電路。通過(guò)這兩個(gè)模塊就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)彩燈控制器的設(shè)計(jì)。

本著簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、縮小設(shè)計(jì)成本的想法，本設(shè)計(jì)的彩燈控制器的主控核心選擇的是Altera公司的FPGA最小系統(tǒng)它搭載的是Cyclone Ⅱ系列的芯片EP2C5Q208C8N。

外圍電路分為L(zhǎng)ED顯示電路、開(kāi)關(guān)控制電路兩個(gè)部分。

LED顯示模塊電路為8個(gè)LED發(fā)光二極管，8個(gè)300歐姆的電阻，電阻一端接排針，一端與發(fā)光二極管相連，發(fā)光二極管另一端直接接地。

開(kāi)關(guān)控制電路部分電路由四個(gè)四腳輕觸無(wú)鎖開(kāi)關(guān)和四個(gè)10K歐姆的電子組成，開(kāi)關(guān)一腳接地對(duì)腳接電阻，其余兩腳懸空處理，電阻的另一端接上另一個(gè)排針即可。

2 硬件調(diào)試

首先是對(duì)系統(tǒng)外接電路以及FPGA最小系統(tǒng)的調(diào)試；在這兩個(gè)部分都能正常工作的情況下，整個(gè)系統(tǒng)所要工作的硬件部分就是正常的。整個(gè)調(diào)試過(guò)程一共分為三個(gè)調(diào)試模塊，分別為電路板走線通斷調(diào)試、電源電路調(diào)試和選擇按鍵調(diào)試。

2.1 電路板走線通斷調(diào)試

（1）電路板調(diào)試首先直觀的要對(duì)比電路板與PCB是否符合，特別要注意銅線是否有斷裂，過(guò)孔是否打通，焊盤大小是否符合設(shè)計(jì)規(guī)則等。但是在實(shí)際測(cè)試中，光用眼睛看是不能說(shuō)明問(wèn)題。

（2）需要用萬(wàn)用表來(lái)輔助調(diào)試。將萬(wàn)用變打到通斷檔，測(cè)試所有地線是否接通，測(cè)試關(guān)鍵部位銅線的通斷。測(cè)試完畢之后，可以確定電路板與PCB板符合。但并不能說(shuō)明一定能工作，所以要結(jié)合后面的模塊調(diào)試來(lái)確定板子的正確性。

2.2 電源電路調(diào)試

（1）直觀的看電源指示燈，若發(fā)亮則表示電源輸出電壓在正常的范圍，但是這并不能保證電源就一定適合外接電路。因此需要對(duì)電源進(jìn)行另一方面的測(cè)試。

（2）用萬(wàn)用表或示波器測(cè)試電源電壓的值，從數(shù)據(jù)上判斷電壓是否適合本人所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。當(dāng)電源電路正常工作時(shí)，電源指示燈能正常發(fā)光，萬(wàn)用表所測(cè)電壓也正常，說(shuō)明電源調(diào)試成功。

2.3 選擇按鍵調(diào)試

（1）不按下按鍵時(shí)輸出口的電平；

（2）按下按鍵時(shí)輸出口的電平；通過(guò)這兩個(gè)結(jié)果的前后對(duì)比就能知道按鍵是否能正常的通斷。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其調(diào)試

軟件的具體設(shè)計(jì)流程可以依次概括為設(shè)計(jì)說(shuō)明、建立VHDL行為模塊、VHDL行為仿真、VHDL-RTL級(jí)建模、前端功能仿真、邏輯綜合、測(cè)試向量生成、功能仿真、結(jié)構(gòu)綜合、門級(jí)時(shí)序仿真、硬件測(cè)試，最后是設(shè)計(jì)完成。設(shè)計(jì)頂層文件由速度控制模塊和彩燈顯示模塊兩個(gè)子模塊組成。

速度控制模塊主要由3個(gè)部分組成，先設(shè)置了初始分頻部分，再是按鍵控制部分，最后是在任意分頻下根據(jù)速度調(diào)節(jié)進(jìn)程輸出最終時(shí)鐘的情況。實(shí)體程序如下：

彩燈顯示模塊是通過(guò)外圍電路的的8個(gè)LED彩燈顯示，分別是流水燈、依次亮、兩邊往中間、中間往兩邊、奇數(shù)閃爍、偶數(shù)閃爍不同的花型以及自行的循環(huán)變換，可以復(fù)位清零。其實(shí)體程序如下：

接下來(lái)進(jìn)行程序下載，程序下載完畢后還要進(jìn)行軟件的調(diào)試，同時(shí)軟件的調(diào)試也可以進(jìn)一步調(diào)試硬件的正確性。軟件的調(diào)試方法是將之前寫好的程序燒錄進(jìn)芯片直接運(yùn)行。運(yùn)行各模塊驅(qū)動(dòng)程序，然后通過(guò)觀察外圍電路即：開(kāi)關(guān)控制電路和LED顯示電路的正常工作來(lái)說(shuō)明調(diào)試成功。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]