基于VHDL的可變速彩燈控制器的設(shè)計(jì)
硬件描述語言(HDL)是相對于一般的計(jì)算機(jī)軟件語言如C，Pascal而言的。HDL是用于設(shè)計(jì)硬件電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)語言，它描述電子系統(tǒng)的邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)和連接方式。設(shè)計(jì)者可以利用HDL程序來描述所希望的電路系統(tǒng)，規(guī)定其結(jié)構(gòu)特征和電路的行為方式，然后利用綜合器和適配器將此程序變成能控制FPGA和CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)邏輯功能的門級(jí)或更底層的結(jié)構(gòu)網(wǎng)表文件和下載文件。VHDL(VeryHigh Speed Integrated Circuit Hardware descriptionLangtuage)主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。與其他的HDL語言相比，VHDL具有更強(qiáng)的行為描述能力，從而決定了它成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。強(qiáng)大的行為描述能力是避開具體的器件結(jié)構(gòu)。從邏輯行為上描述和設(shè)計(jì)大規(guī)模電子系統(tǒng)的重要保證。在文獻(xiàn)中作者從不同的角度闡述了EDA技術(shù)的應(yīng)用，它具有功能強(qiáng)大、描述能力強(qiáng)、可移植性好、研制周期短、成本低等特點(diǎn)，即使設(shè)計(jì)者不懂硬件的結(jié)構(gòu)，也能進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)。本文以Alter公司提供的Max+PlusⅡ?yàn)槠脚_(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)可變速的彩燈控制器，可以在不修改硬件電路的基礎(chǔ)上，僅通過更改軟件就能實(shí)現(xiàn)任意修改花型的編程控制方案，實(shí)現(xiàn)控制16只LED以8種花型和4種速度循環(huán)變化顯示，而且設(shè)計(jì)非常方便，設(shè)計(jì)的電路保密性強(qiáng)。
l 設(shè)計(jì)原理
用VHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該理解，VHDL語言是一種全方位硬件描述語言，包括系統(tǒng)行為級(jí)，寄存器傳輸級(jí)和邏輯門級(jí)多個(gè)設(shè)計(jì)層次。應(yīng)充分利用VHDL“自頂向下”的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)以及層次化的設(shè)計(jì)概念，層次概念對于設(shè)計(jì)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)是非常有用的，它使得我們可以從簡單的單元入手，逐漸構(gòu)成龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)。
首先應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)模塊的劃分，規(guī)定每一個(gè)模塊的功能以及各模塊之間的接口，最終設(shè)計(jì)方案分為三大模塊：16路花樣彩燈控制器、四頻率輸出分頻器、四選一控制器。四選一控制器從分頻器中選擇不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)輸送到彩燈花樣控制器，從而達(dá)到控制彩燈閃爍速度的快慢和花型的的變換。
下面是本次設(shè)計(jì)的頂層模塊原理圖如圖1所示。
2 子模塊及其功能
(1)四頻率輸出分頻器。根據(jù)要求有4種速度的變化，每種都要顯示8種花樣，就要用到三位計(jì)數(shù)器和16位數(shù)字譯碼器。其次，速度有4種變化，而只有一個(gè)輸入的時(shí)鐘信號(hào)，所以要對輸入的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，本次設(shè)計(jì)采用了二分頻、四分頻、八分頻和15分頻得到4種不同頻率的信號(hào)。
二分頻電路的程序代碼如下：
四分頻電路的設(shè)計(jì)有兩種方案：一是把兩個(gè)二分頻電路串聯(lián)起來(見圖2，3)，實(shí)現(xiàn)四分頻；二是修改二分頻電路的程序代碼來實(shí)現(xiàn)，做如下修改：
同理，八分頻電路的設(shè)計(jì)也有兩種方案：一種是把兩個(gè)四分頻電路串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)八分頻；一種是修改二分頻電路的程序代碼，只需做如下修改即可：
15分頻電路如圖4所示，仿真圖如圖5所示。代碼如下：
四頻率輸出分頻器的頂層模塊原理圖如圖6所示，仿真波形如圖7所示。
(2)四選一控制器。四選一控制器的功能是從分頻器中選擇不同的時(shí)鐘信號(hào)送給彩燈控制器，實(shí)現(xiàn)彩燈閃爍頻率的變化，如圖8，9所示。源代碼如下：
(3)彩燈控制器。彩燈控制器電路是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，它控制整個(gè)設(shè)計(jì)的輸出效果也就是圖案的樣式變化。在電路中用1代表燈亮，用O代表燈滅，由0，1按不同的規(guī)律組合代表不同的燈光圖案，同時(shí)使其選擇不同的頻率，以實(shí)現(xiàn)多種圖案及多種頻率的花樣功能顯示。該程序充分證明了用VHDL設(shè)計(jì)電路的靈活性，即可以通過改變程序中輸出變量的位數(shù)來改變彩燈的數(shù)目。如圖10，1l所示。
代碼如下：
3 結(jié)語
使用VHDL語言設(shè)計(jì)電路，思路簡單，功能明了。使用Max+PlusⅡ設(shè)計(jì)電路不僅可以進(jìn)行邏輯仿真，還可以進(jìn)行時(shí)序仿真，使用PLD不僅省去了電路制作的麻煩，還可以反復(fù)進(jìn)行硬件的實(shí)驗(yàn)，非常方便地修改設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)的電路的保密性強(qiáng)?？傊?，采用EDA技術(shù)使得復(fù)雜的電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變的簡單易行，提高了設(shè)計(jì)的效率。
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