摘 ?要
伴隨著我國電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，彩燈越來越多地被融入到現(xiàn)代生活中的各式各樣的景觀中，彩燈作為一種裝飾生活的觀賞工具，不僅滿足了人們視覺上的享受和娛樂，同時(shí)受關(guān)注的還有彩燈的花式花樣、創(chuàng)意、節(jié)能、智能以及環(huán)保。但我們不能忽視了彩燈設(shè)計(jì)中最重要的一部分也就是彩燈控制方式，而最明顯的就是彩燈的熄滅和點(diǎn)亮，還有花型的來回變換。所以說彩燈控制花型變換非常的重要，據(jù)此，本文設(shè)計(jì)一款滿足此要求的8路彩燈控制器。
本文將利用EDA技術(shù)來完成設(shè)計(jì)，采用VHDL硬件描述語言編寫各模塊程序，并且經(jīng)過分析多通道彩燈控制器的原理，來控制彩燈花型的各種變換，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目的。EDA技術(shù)的主要特點(diǎn)就是它采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法來完成系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)程序的人員采用硬件描述語言，在EDA軟件平臺上完成設(shè)計(jì)的文件,通過Quartus II軟件平臺完成邏輯編譯，簡化，分割，合成，布局，接線和仿真等等，直到目標(biāo)芯片的自適應(yīng)編譯，邏輯映射和編程下載。通過硬件仿真平臺，對各個模塊進(jìn)行波形仿真，觀察波形來確認(rèn)電路設(shè)計(jì)的正確性。本文設(shè)計(jì)的8通道彩燈控制器所控制的三種花型為：一是從兩邊向中間亮，再從中間向兩邊亮；二是淡入淡出的效果；三是從左向右逐個亮，然后再從右向左逐個亮。
控制器控制三種花樣循環(huán)，一是實(shí)現(xiàn)對彩燈的控制，二是展示各種花樣的變換，經(jīng)仿真驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)可以很好的控制三種花型的自由變換。

關(guān)鍵詞：彩燈；仿真；控制；EDA

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Abstract
With the development of electronic science and technology in our country, the lights is increasingly integrated into the modern life of all kinds of landscape, as a kind of decoration lights viewing tool life, not only satisfy the people visual enjoyment and entertainment, at the same time, attention and fancy lantern designs, creativity, energy saving, intelligent and environmental protection. But we cannot ignore the most important part in the design of colored lights, that is, the control mode of colored lights, and the most obvious one is the extinguishing and lighting of colored lights, as well as the changing back and forth of patterns. Therefore, it is very important for color lamp to control pattern transformation. Therefore, this paper designs an 8-way color lamp controller to meet this requirement.
This article will use the EDA technology to complete the design, each module program written using VHDL hardware description language, and after analyzing the principle of multi-channel lights controller, to control the lights all kinds of transformation of the pattern, so as to achieve design goal. The main characteristic of EDA technology is that it adopts the top-down design method to complete the overall structure design of the system. Programmers use hardware description language, on EDA software platform and design documents, then automatically by the Quartus II software platform to complete the logic compilation, simplify, segmentation, synthesis, layout, wiring and simulation, until the target chip adaptive compilation, logical mapping and programming downloads. Through the hardware emulation platform, to the waveform simulation of various modules, observe the waveform to confirm the correctness of the circuit design, this paper design the 8 channel lights controller controlled by three patterns: one is from both sides to the middle, then from middle to both sides is bright; Second, fade in and out of the effect; Three is to light from left to right, and then from right to left.
Controller to control the three circulation pattern, one is to realize the control of the lights, 2 it is to show variety of transformation, verified by the simulation, the design can be very good control of three kinds of pattern free transform.

Key words: The lights; The simulation; Control; EDA

目錄
1 緒論
1.1 目的意義
1.2 國內(nèi)外的研究
1.3 本文研究的內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)
1.3.1 研究內(nèi)容
1.3.2 創(chuàng)新點(diǎn)
2 關(guān)鍵技術(shù)與開發(fā)平臺
2.1 EDA技術(shù)的簡介
2.2 FPGA/CPLD概述
2.3 VHDL語言概述
3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)方案
3.2 設(shè)計(jì)思路
3.3 模塊設(shè)計(jì)
3.3.1分頻模塊
3.3.2選擇模塊
3.3.3狀態(tài)機(jī)花樣模塊
3.4 頂層模塊設(shè)計(jì)
4 硬件系統(tǒng)的仿真
4.1 VHDL行為仿真流程
4.2 QUARTUS Ⅱ概述
4.3 模塊仿真
4.4 頂層仿真
5 結(jié)論
參考文獻(xiàn)
謝辭
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1 緒論
1.1 目的意義
從古自今電子這一個名詞對于人們來說是一個神秘而又可觸及的東西，那些偉大的科學(xué)家為了探索其中的奧妙，進(jìn)行了一次又一次的工業(yè)革命。人們的生活也隨之提高了很多，如今信息化時(shí)代飛速發(fā)展，人們提出的要求是越來越高了。并且高質(zhì)量都市生活和繁華大街上的彩燈代表的各種意義已經(jīng)不能滿足我們的需求。彩燈的照明被人們認(rèn)為在生活中充當(dāng)著色彩主角同時(shí)也需要滿足不同場合和不同功能。應(yīng)運(yùn)而生地出現(xiàn)了適用于各種各樣使用要求的燈具,比如說學(xué)生使用的日光燈，辦公室寫字燈，緊急情況出現(xiàn)時(shí)的應(yīng)急燈，還有不同高度層次的餐具燈和落地?zé)舻取，F(xiàn)在正處于信息化時(shí)代，彩燈再也不是那種人為控制的燈籠了，人們已經(jīng)將自己的思想賦予到了彩燈中去，如何將人們的思維轉(zhuǎn)移到彩燈中去，這便是我們此次設(shè)計(jì)的目的。
中國作為歷史悠久的大國，對于燈籠這方面的傳統(tǒng)就尤為突出，而且各種最為流行的花式燈飾一直以來是傳統(tǒng)民間的綜合工藝品。人們的生活環(huán)境隨著科技的進(jìn)步不斷改善和美化，色彩斑斕的霓虹燈也出現(xiàn)在許多節(jié)日氣氛中，這種彩燈因其具有豐富的照明色彩、耗費(fèi)成本較低和控制也極其簡單的特點(diǎn)而被廣泛使用。電子產(chǎn)品，建筑產(chǎn)品，機(jī)械化，遙控方面，聲學(xué)，光纖等技術(shù)方面的場合都運(yùn)用到了。動態(tài)的霓虹燈要求是形散而神不散，不需要一直針對追求“跳躍”而給人一種凌亂的感覺，無論使用哪種顏色，不同的花色都應(yīng)該具有淡入淡出和跳躍順序，體現(xiàn)了秩序感，主次感，有利于遵循正常的節(jié)奏，然后還能重復(fù)觀看。在設(shè)計(jì)和制作過程中，不僅要給人以吸引力的變化，還必須清晰，沒有顏色和花紋的混亂感。變化，閃爍和跳躍的霓虹燈讓人們享受，快樂多彩的生活需要這種彩燈，所以備受人們關(guān)注。人們正在以極大的熱情努力工作，并享受隨之而來的所有歡樂。燈籠是一種裝飾娛樂，娛樂工具在滿足人們視覺娛樂的同時(shí)，人們更注重花哨的照明，創(chuàng)意，節(jié)能和環(huán)保。彩燈設(shè)計(jì)中很重要部分那肯定就是——彩燈控制。由于各種燈籠控制操作，幾乎全部體現(xiàn)在燈光的熄滅和明暗中，它也可以起到花型轉(zhuǎn)換的作用。作為一個燈籠，它可以發(fā)揮很大的作用，無論是假日還是平日的夜晚，它都必須有各種各樣的反射，所以彩燈控制器就顯得非常重要了。傳統(tǒng)機(jī)器用純電路的方式控制，又很依賴于各種硬件，為了保證運(yùn)行，還需要擔(dān)心電路有沒有老化失修等問題。并且機(jī)器零件部位要是不穩(wěn)定也會發(fā)生接觸之類的問題。電路不能及時(shí)地觸發(fā)電路電源開關(guān)，所以這種類型的問題就會經(jīng)常發(fā)生，雖然使用更好的硬件系統(tǒng)組件外，但是沒有其他可靠的方法可以避免此類故障，所以我們必須使用智能組件來設(shè)計(jì)系統(tǒng)并增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性這是非常必要的。集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)在這幾年飛速發(fā)展，EDA漸漸地替代了設(shè)計(jì)人員以前用來完成項(xiàng)目的工具，它的系統(tǒng)寶庫了集成電路，信號的處理，小型計(jì)算機(jī)的控制?？删幊踢壿嬈骷≒LD）是數(shù)字ASIC的重中之重，以PLD的電路控制方法為基礎(chǔ)是一種穩(wěn)定又可以預(yù)測的控制方法[2]。它的安全性非常高，是一種屬于智能控制范疇的方法。因此，在彩燈上實(shí)施這樣一種智能彩燈控制方式是一種變革和進(jìn)步，提高了燈籠控制的效率，降低了燈籠的失效率[3]。
1.2 國內(nèi)外的研究
在20世紀(jì)70年代中葉，循序漸進(jìn)地萌發(fā)了可編程邏輯陣列（PLA）。數(shù)組和可編程或陣列被他運(yùn)用從而來進(jìn)行編程[1]。PLA解決了由輸入變量增加時(shí)PROM導(dǎo)致存儲容量快速增加的問題，PLA的價(jià)格屬實(shí)貴，操作起來是非常的復(fù)雜，支持一定的PLA技術(shù)的軟件平臺還是有一定的挑戰(zhàn)性的，這樣用的人也就寥寥無幾。
在20世紀(jì)70年代末期，最先進(jìn)的美國公司第一次引入了可編輯邏輯陣列[5]。他們發(fā)現(xiàn)熔絲編程法，雙極制造法非常的管用。該設(shè)備以高速運(yùn)行，PLA的輸出結(jié)構(gòu)有多種類型，設(shè)計(jì)相對靈活。隨之這已成為第一個廣泛使用的PLD。
1980年代初期，萊迪思發(fā)明了比較通用的陣列邏輯（GAL），這是一種可以擦除，也可以重新編程和可配置的PLD[4]。它運(yùn)用的技術(shù)是輸出邏輯宏單元（OLMC）形式和E2CMOS工藝，相比之下PAL更方便，可代替大多數(shù)SSI和MSI數(shù)字集成電路。
由于陣列體積比較的小，片內(nèi)寄存器所存儲的資源不足，對于以上這幾種編程器來說的話極其的不方便，超級不靈活，GAL只能在中小型數(shù)字邏輯中使用[10]。然而并沒有很大的作用，現(xiàn)如今，可編程邏輯器件被制造成各種超大規(guī)模的超大規(guī)模繼承電路，并且運(yùn)用到的都是以CPLD和FPGA為基礎(chǔ)的硬件描述語言[6]。
CPLD是一種非常復(fù)雜的可編程邏輯器件。就目前來說，Xilinx，Altera，Lattice和AMD等這幾個主要半導(dǎo)體公司都擁有自己的CPLD產(chǎn)品。作為CPLD器件，最少應(yīng)該包含這三種結(jié)構(gòu)：可編輯邏輯宏單元，可編程I / O單元，可編程互連。
信息化時(shí)代來臨，各個國家大力發(fā)展電子技術(shù)，現(xiàn)今的CPLD和FPGA器件在所控制的集成度，功能和性能（其具有速度和可靠性）方面就已經(jīng)能夠適用于大多數(shù)場合了?，F(xiàn)在對于專用集成電路的走勢來說，CPLD,FPGA這種基于超大規(guī)模的邏輯器件，都將成為現(xiàn)在流行的器件。那些傳統(tǒng)的集成電路對于他們來說已經(jīng)面臨淘汰的邊緣了[28]。
PLD在電子技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用主要有以下三個方面：
1.在微機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用
CPLD / FPGA芯片可以說是各種芯片的大哥大了，為什么是芯片的老大哥呢，因?yàn)樗獯a地址，控制電路都非常強(qiáng)大，什么控制什么管理什么I/O接口電路都不在話下。就這一點(diǎn)來說獨(dú)占鰲頭。CPLD / FPGA的使用可以將許多種微機(jī)系統(tǒng)的功能聚集到同一個芯片中，也就是所謂的“功能集聚與一身強(qiáng)無敵”。
2.在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用
目前所使用的通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢朝著更強(qiáng)大，更小，更快，功耗更低的方向前進(jìn)。 通信系統(tǒng)中追求的速度集成度和功能方面CPLD / FPGA恰恰就滿足了這些定性要求[7]。所以現(xiàn)在不管是民用轉(zhuǎn)機(jī)電話，程控交換電機(jī)，中繼站，廣播發(fā)射器和調(diào)制解調(diào)器，這些大規(guī)模可編程邏輯器件都可以廣泛的應(yīng)用到各個國家的軍事雷達(dá)設(shè)備，不同的圖像處理和設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程遙控測量設(shè)備和加密通信器中去[27]。
3.應(yīng)用于數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）
DSP有著密切關(guān)系的話，那就有很多領(lǐng)域，其中有圖像PS，數(shù)據(jù)壓縮。還有各種數(shù)字化電視機(jī)和數(shù)字產(chǎn)品信息通信雷達(dá)掃描[8]。隨著DSP系統(tǒng)對操作復(fù)雜和功能上有所增加，用到的DSP去解決問題是可謂是困難重重，也變得越來越有缺陷，比如說:實(shí)時(shí)性是真的不夠強(qiáng)大、各種靈活程度也弱雞，并且更不適合在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)或技術(shù)開發(fā)等場地的使用等。此時(shí)CPLD / FPGA就需要DSP提供了問題的解決方案[9]。 CPLD / FPGA和DSP技術(shù)的結(jié)合后可以更好的滿足DSP在集成度，速率（實(shí)時(shí)性）和系統(tǒng)功能各方面的要求。運(yùn)用CPLD / FPGA來設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)可以降低各種的系統(tǒng)體積從而能提高系統(tǒng)的工作速度。比如說：可以用使FPGA來降低持支PC的圖像處理板到FPGA芯片和外圍電路的長度[11]。
可編程邏輯器件是邏輯器件系列中發(fā)展快的一批的器件。它快速的發(fā)展已經(jīng)縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，不僅提高了現(xiàn)場靈活性，而且降低了開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，并且隨著流程，技術(shù)和市場上的不斷的超大力發(fā)展，PLD產(chǎn)品的價(jià)格將會變得越來越廉價(jià)的一批，集成度高，處理速度越來越快的一批[12]?？删幊踢壿嬈骷﨓DA的設(shè)計(jì)和開發(fā)在國際上發(fā)展前景是可觀的，因?yàn)樗蠂H標(biāo)注，而且強(qiáng)大通用，功能多。更廣泛的是CPLD / FPGA它的那種不可替代的地位也將越來越受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。
4.PLD在ASIC設(shè)計(jì)中也有廣泛的應(yīng)用
專用集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是在可編程邏輯器件上開發(fā)的，全定制和半定制電路設(shè)計(jì)主要方法是ASIC設(shè)計(jì)方法最方便。如果無法達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，就只能重新想方設(shè)法的設(shè)計(jì)并重新進(jìn)行檢查驗(yàn)證，根據(jù)上面所述，我們知道設(shè)計(jì)繁瑣、開發(fā)周期緩慢，推銷的時(shí)間可能要往后稍一稍了，生產(chǎn)這個產(chǎn)品的話那他的價(jià)格肯定會有所上升。CPLD / FPGA芯片是ASIC芯片的核心產(chǎn)品，不僅僅具備ASIC的特性而且它們各有還有各自的優(yōu)點(diǎn)[13]。
現(xiàn)如今，ASIC芯片的容量變得越來越大，密度也變得更加的麻煩。因?yàn)槊芏鹊膯栴}導(dǎo)致了需要增加芯片，但是引腳又難以控制數(shù)量。雖然芯片可以一個勁地增加，但是連接到核心的引腳也就那么幾個[20]。但是CPLD / FPGA的使用就沒有這樣的限制啊，然而現(xiàn)在是信息化時(shí)代，發(fā)展賊快，可以達(dá)到的金屬層的數(shù)量變得更多了，這樣他的優(yōu)勢非常的明顯了，CPLD / FPGA芯片的規(guī)模正在增加，單片邏輯門的產(chǎn)量已經(jīng)超過數(shù)百萬[15]。它們所實(shí)現(xiàn)的功能也會變得更加強(qiáng)大，更能同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。就開發(fā)這方面來說，和ASIC相比，周期性更短的，開發(fā)成本更低的可編程邏輯器件真的是不值得一提，他而且又沒訂購數(shù)量的限制，所存管理就很舒服，簡單明白又便捷[14]。根據(jù)我們說了解的門電路所耗費(fèi)的成本的不斷地降低與此同時(shí)門電路數(shù)量的卻不斷地增加，這就足以顯示出可編程邏輯器件在傳統(tǒng)門陣列中的地位了.
1.3 本文研究的內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)
1.3.1 研究內(nèi)容
研究目標(biāo)：本文通過基于VHDL語言設(shè)計(jì)一款8路彩燈控制器
研究對象：彩燈控制器控制彩燈花樣變換
擬解決問題：
用分層的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)該電路,研究各個功能模塊的程序
仿真各個模塊得到的波形圖進(jìn)行對比來確定設(shè)計(jì)是否正確
完成電路排版后，用硬件系統(tǒng)查看和檢測其正確性
控制8通道彩燈按照兩種節(jié)拍，三類花式花樣模式循環(huán)變化。對于這個彩燈控制器我們要求要有三種花樣，其效果分別為：
（1）兩邊開始到中間亮，然后再是中間到兩邊；
（2）實(shí)現(xiàn)淡入淡出效果；
（3）左向右依次亮，再從右向左依次亮；
最后，使用QuartusⅡ 仿真軟件對每個模塊和每個主程序分別進(jìn)行結(jié)果仿真，并對仿真出來的結(jié)果作了分析，分析完后下載到實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行驗(yàn)證。
1.3.2 創(chuàng)新點(diǎn)
美化和照亮城市彩燈肯定是功不可沒。彩燈控制器是彩燈的重要組成部分。這是一個問題。傳統(tǒng)的燈籠控制電路一般由數(shù)字電路組成,因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，功耗大，電路老不穩(wěn)定和機(jī)械元件的變化莫測會引起觸發(fā)電路功率開關(guān)的穩(wěn)定性,最終導(dǎo)致燈籠發(fā)生各種類型的錯誤.使用CPLD，F(xiàn)PGA等大的規(guī)?？删幊痰倪壿嬈骷硖娲膫鹘y(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)集成電路的要求，口接電路和PLA已經(jīng)成為技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路。以PLD的電路控制方法為基礎(chǔ)是一種可靠并且還可預(yù)測的控制方法[16]。它的安全性非常高，屬于智能控制領(lǐng)域。因此，在彩燈上實(shí)施這樣一種彩燈控制方法是一種改革和進(jìn)步，這樣既提高了燈籠控制的效率，也降低了燈籠的失效率。為了設(shè)計(jì)這一種基于VHDL的彩燈控制器，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)出的控制器相比，這種設(shè)計(jì)速度快，體積小,重量又輕.運(yùn)用的控制電路也是采用VHDL語言設(shè)計(jì)的，它通過自頂向下的設(shè)計(jì)理念，分析了多通道燈控制器的設(shè)計(jì)原理，并采用了硬件描述語言，根據(jù)所描述的功能來實(shí)現(xiàn)8通道控制器的設(shè)計(jì)[19]。彩燈控制器的芯片設(shè)計(jì)要求是分層設(shè)計(jì)，要求編程性強(qiáng)，簡單的電路，可靠性要高而且通過仿真波形檢測驗(yàn)證結(jié)果,使用VHDL語言更深層次的優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)方法，對實(shí)際應(yīng)用具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義[17]。

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到了這里，關(guān)于基于VHDL語言的8路彩燈控制器的設(shè)計(jì)_kaic的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！