1、基于 Verilog 的课程设计多路彩灯控制器指导老师：瓮嘉民 李小魁班 级：0941 电子科学与技术成 员：周俊冉 200910711103李 静 200910711108马庆蒙 200910711110目录1 EDA 简介2 彩灯控制器的设计方案3 程序设计和源程序4 波形仿真分析5 硬件测试引脚锁定图6 电路模块图7 实物图8 心得体会9 扩展思路10 参考文献1.EDA 简介EDA 技术（即 Electronic Design Automation 技术）就是依赖强大的计算机，在 EDA 工具软件平台上，对以硬件描述语言 HDL（Hardware Description Languag
2、e）为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动的完成逻辑编译、化简、分割、综合、布局布线以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子线路系统功能。他在硬件实现方面融合了大规模集成电路制造技术、IC 版图设计、ASIC 测试和封装、FPGA （Field Programme Gate Array）CPLD （Complex Programme Logic Device）编程下载和自动测试等技术：在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计（CAD）,计算机辅助制造（CAM） ，计算机辅助测试（CAT） ，计算机辅助工程（CAE）技术以及多种计算机语言的设计概念；而在现代电子学方面则容纳了更多的内容，如电子
3、线路设计理论、数字信号处理技术、数字系统建模和优化技术及长线技术理论等。硬件描述语言 HDL 是 EDA 技术的重要组成部分，常见的 HDL 主要有VHDL、Verilog HDL、ABEL、AHDL、System Verilog 和 System C。其中VHDL、Verilog HDL 和现在的 EDA 设计中使用最多，并且我们学习的是Verilog 的编程方法及实用技术。2.彩灯控制器的设计方案彩灯控制器的核心设计部分是分频器的使用，显示部分相对比较容易。分频器的设计方法多种多样，我们设计的是比较常见的一种。外接 clk 为始终输入基准信号，彩灯节奏的快慢用选择开关 select10，共
4、有 q13:0十四个输出信号控制彩灯的输出以及 display15:0输出信号控制数码管的显示。彩灯由流水灯和交通灯两部分显示彩灯的各种状态，数码管显示选择开关的四种状态。彩灯共有 32 个状态，流水灯显示部分可以做成 7 种花样，一种花样完成后，自动进入下一种状态。交通灯作为辅助部分显示。第一种花样为彩灯从右到左，依次点亮，从左往右依次点亮，然后全亮。11111110011111 到 00000000101010；第二种花样两边同时亮一个，逐次向中间移动，再散开，全灭。01111110111111 到 11111111111110；第三种左边四个灯亮，然后右边四个灯亮，再反过来。000011
5、11111100 和 11110000111000第四种奇数灯亮，再偶数灯亮，然后反过来。01010101110000 和01010101110000 第五种右边七个亮，然后左边七个亮。10000000 和 00000001第六种全亮 00000000101101第七种全灭 111111111101103.程序设计和源程序整个控制器的实现流程如下：初始化分频选择状态显示结束经分析，彩灯控制器设计可以分为四部分：时钟分频，数码管显示，彩灯显示电路。其中时钟分频又包括四选一数据选择和分频和状态选择两部分系统程序框图如下：C o u n t 6 : 0 S t a t e 5 : 0 输入时钟c l
6、 kS e l e c t 1 : 0 N u m 6 : 0 四选一数据选择模块分频状态选择分频和状态选择嵌套模块c o u n t 计满了状态加一 ，c o u n t 清零重新计数 ； 计数时状态保持c l kc l kS e l e c t 1 : 0 D i s p l a y 1 5 : 0 一位数码管显示彩灯显示S t a t e 5 : 0 Q 1 3 : 0 确定彩灯亮暗状态彩灯显示控制模块数码管显示控制模块分频数C l k彩灯控制器系统框图各部分电路模块框图功能：分频值选择框图此部四选一数据选择器：试验箱上的时钟进行四种分频，该模块对四个时钟进行选择，配合按键的控制选择亮灯
7、之间的时间间隔。确定频率和状态部分：该部分实现了两个功能：一个是分频计数，对四种分频（12,25,50,100）计数，达到分频数时清零；另一个是实现状态的改变，在每次计数满时（达到分频的数时）状态改变一次，同时清零重新计数；未满时，状态保持。显示部分：该部分由流水灯和交通灯两部分组成。显示当前彩灯的状态。共 32 个状态，进行自动循环转换。该部分控制的是彩灯当前的分频状态，共有四种分频 12,25,50,100 对应的显示 1,2,3,4 。由输入信号和按键决定。主要源程序：module led(select,clk,q,display);input 1:0 select;input clk;
8、output reg 13:0 q;reg 2:0 seg;output 15:0display;reg 15:0display;wire 6:0 num;assign num=(select=0)?12:(select=1)?25:(select=2)?50:100;/计数分类reg 5:0 state;reg 6:0 count;initial beginstate=0;count=0;end /always (posedge clk)begin display = 8b1111_1110,1b1,led7(seg); case(select)2b00:seg=1;2b01:seg=3;2
9、b10:seg=2;2b11:seg=4;default :seg=0;endcase end/ always(posedge clk) begin if(count=(num-1) begincount=0;if(state32)state=state+1;elsestate=0;endelse begincount=count+1;state=state;endend/always(posedge clk)begincase(state)0:q=14b11111110011111;1:q=14b11111101101111;2:q=14b11111011110111;3:q=14b1111
10、0111111011;4:q=14b11101111111101;5:q=14b11011111111110;6:q=14b10111111111101;7:q=14b01111111111011;8:q=14b10111111110111;9:q=14b11011111101111;10:q=14b11011111011111;11:q=14b11101111000111;12:q=14b11110111111000;13:q=14b11111011000000;14:q=14b11111101011101;15:q=14b11111110010101;16:q=14b00000000101
11、010;17:q=14b01111110111111;18:q=14b10111101110101;19:q=14b11011011001001;20:q=14b11100111000000;21:q=14b11011011000111;22:q=14b10111101111000;23:q=14b01111110111111;24:q=14b11111111111110;25:q=14b00001111111100;26:q=14b11110000111000;27:q=14b01010101110000;28:q=14b10101010100000;29:q=14b100000000000
12、00;30:q=14b01111111011011;31:q=14b00000000101101;32:q=14b11111111110110;default :q=14b00000000000000;endcase end /function 6:0 led7; /*数码管段码表,供阳数码管6:0=gfedcba*/input 3:0 dis_input;begincase (dis_input)0 : led7 = 7b100_0000;1 : led7 = 7b111_1001;2 : led7 = 7b010_0100;3 : led7 = 7b011_0000;4 : led7 =
13、7b001_1001;5 : led7 = 7b001_0010;6 : led7 = 7b000_0010;7 : led7 = 7b111_1000;8 : led7 = 7b000_0000;9 : led7 = 7b001_1000;default : led7 = 7b111_1111;endcaseendendfunctionendmodule4.波形仿真分析输入一个时钟，select1:0选择的事是 00，即 12 分频时候的波形。输出引脚q 显示每个灯的高低电平，低电平灯亮。5 引脚锁定图波形仿真完之后即可进行引脚的分配，并进行编译下载至硬件进行测试。在生成的.qsf 文件中给
14、引脚配对。在 quarter 中生成的引脚分配图如下所示：6 电路原理图7 实物图8 实训心得李 静:实训虽然进行了两周，但由于请了三天假就像只参加了一周一样，没有参与所有的编程，有点遗憾。不过后来我还是认真琢磨了我们的程序。我们组做到是多路彩灯控制器，实际上很简单，生活上很常见，和花样流水灯可以说是异曲同工。不过在期间做好让老师检查时，老师觉得这个课题有些简单，又建议加上数码管或是增加彩灯数目，以增加点难度。当然，我们对实验又进行了修整。不过在实验中还是遇到了以下几个问题。例如：分频的时候，可以用一个两位的输入变量作为分频的选择，使用选择语句付给中间变量 num，简化程序。在.数码管控制分频
15、的选择，因为数码管码和断码有固定函数，可以调用此函数用以显示对应数据。还有交通灯闪烁的问题，试验箱上有 12 个交通灯，交通等和流水灯不一样，只有 6 个引脚红黄蓝分别公用一个引脚。当然期间遇到的问题不止这几个，在遇到问题解决不了时，也有请教了老师以及其他同学，最终在我们组成员的共同努力下，完成了我们的实验科目。在这次实验中，我也学到了新的知识，对于 verilog 有了更深的了解。马庆蒙：经过为期两周的实训，多多少少还是学到点东西的。很庆幸，从开始选材到程序到仿真出来我都参与进来了。我们组做的是多路彩灯控制器。实际上就是花样的流水灯。我们的课题相对来说不是很难。很多的超市都挂有流水灯，不过他
16、们的花样比较多，由于试验箱上的灯颜色比较单一，做不出那种效果，只能根据自己的能力设计出像流水灯一样的花型。由于实验箱上有交通灯部分，第一次把流水灯的部分设计完之后，让老师检查，又布置下来新的任务，要求用上数码管或交通灯部分。初次设计的过程中无从下手，首先是方案的选择，花型的变换，节奏变化的快慢等问题。后来的加上数码管和交通灯部分，怎么在数码管上显示四种分频，交通等花型变换。在设计过程中遇到的问题及解决方案：1.怎么分频几个选择变量可以用一个条件赋值语句付各一个变量，这样可以简化程序。于是我们用一个两位的输入变量作为分频的选择，使用选择语句付给中间变量 num。2.怎么把用数码管控制分频的选择因
17、数码管位码和断码有固定的函数，调用此函数用以显示对应的数字。12 分频显示 1，25 分频显示 2，50 分频显示 3，100 分频显示 4。3.交通灯怎么闪烁试验箱上交通灯有 12 个彩灯，开始时以为交通和流水灯一样，每一个灯对应一个引脚，于是在程序中直接把交通灯的 12 位付给输出变量 q。 ，但到了引脚锁定时发现交通灯的引脚只有六位。思考一番知道了，在现实生活中交通灯的东西（或）南北方向的灯显示的事一样的。于是把 12 位的引脚改成 6 位的，红的黄的绿的每一种颜色共用一个引脚，程序的 12 位也改为了 6 位。4.交通灯没有闪烁在把交通灯部分加上以后，交通灯没有反应， ，检查程序，发现
18、输出变量应该是 14 位，所以定义时应该把 q 定义为 q13:0。重新往试验箱里下载程序，还是没反应，连流水灯的变化也变得不正常了。这时人都快崩溃了，于是找人呢帮忙检查，原来是应该把状态输出时的赋值语句 q=8b 写成 q=14b，该赋值语句中的数字表示 q 输出的位数，当为 8 时小于输出的位数，只会取后面的 8 位。因此只有流水灯在闪烁，交通灯还会保持原来的状态。至于流水变化不正常是因为有人把试验箱上的时钟改大了，造成流水灯的速度变快，看不出来状态的变化。周俊冉： 实训两周结束了，这次实训和往常不同的是没有实体的产品，主要是程序的编写和实验箱的演示，通过这次实训我再次学习了 EDA 中的
19、程序编写和软件使用并和实践相结合。我们做的是多路彩灯，实验箱上只有一种颜色就做成了多种显示方式和频率的流水灯形式。后来在老师的指导下又加入了交通灯的多种花样及频率显示。在整个过程中遇到了很多问题和思考：第一周在方案的选择和程序编写上我们讨论和修改了很多，本来准备使用多个模块和例化语句，为了使构造更清晰简易就选择使用一个整体模块。 编程过程中:我们首先利用一个两位的变量输入和一个多重的条件赋值句来简洁的选择闪烁快慢，即实现分频的选择；然后通过计数的方式达到分频的目的，然后是控制显示部分，因为使用一个程序模块又要将分频和控制相结合我们就使用了 if 的嵌套语句，对于这两部分我们花费了相对多的时间。
20、然后是在老师检查后让我们加上交通灯和显示部分时，关于数码管的断码和位码显示有固定的函数先确定用哪个显示然后根据频率输入来显示，因为我们使用的是试验箱上数字信号源作为系统时钟所以省去了分频使数码管显示稳定的程序。试验箱显示的过程中我们遇到了很小但很重要的问题：再加入交通灯部分之后一直无法演示，开始是我们把交通灯当作一般的彩灯进行编程结果引脚锁定时发现交通灯对着的灯是一个引脚控制。改正过之后还是无法演示，我们看了很久直到找同学帮忙才发现我们虽然定义时把 q 改成了 14 位但是忘了把输出的位数修改了，就是这一个数字让我意识到编程是一个很严谨的过程，一点的错误就会结果混乱而且让你找不到头绪。然后就是在生成原理图时我忘记了要先把程序封装成一个元件再使用还有原理图文件和程序文件不能使用同一个名字，否则会出现编译或下载错误。通过实训的全程参与我不仅学习到 EDA 的知识并得以实践，而且感受到和同学一起讨论学习的快乐，但是更意识到自己的课本知识还差很多，以后需要更深入的学习 EDA 技术。扩展思路在本次实验的基础上进行深入的思考，可以使用一个按键控制频率的改变，多几组按键控制彩灯的闪烁状态，每一组状态里分别有十组彩灯状态，通过按键随机选择。参考文献EDA 技术实用教程Verilog HDL （第四版） ，潘松SOPC+嵌入式系统实验教程(二) MagicSOPC_V1.7EDA 修改稿
