基于狀態機的8路彩燈VHDL設計

樊輝娜

FAN Hui-na

（江西機電職業技術學院 電氣工程系，南昌 330013）

0 引言

EDA簡介

EDA（即電子設計自動化）技術是以微電子加工技術為基礎，以計算機為工作平臺，以FPGA/CPLD器件為載體，將應用電子技術、計算機技術、智能化技術溶為一體以實現IC設計、電子線路設計及PCB設計。可以想象沒有EDA技術，要想完成超大規模的集成電路設計是不可能的。

狀態機的概念

當前以VHDL語言為工具、邏輯器件為載體的系統設計越來越廣泛。在設計中，狀態機是最典型、應用最廣泛的電路模塊，其在運行速度的高效、執行時間的確定性和高可靠性方面都顯現出強大的優勢。狀態機由狀態寄存器和組合邏輯電路構成，能夠根據控制信號按照預先設定的狀態進行狀態轉移，是協調相關信號動作，完成特定操作的控制中心。狀態機可以分為Moore型和Mealy型兩種基本類型。設計時采用哪種方式的狀態機要根據設計的具體情況決定，輸出只由當前狀態值決定則選用Moore型，輸入信號和狀態值共同決定輸出則選用Mealy狀態機。

層次原理圖設計方法

自頂而下（TOPTODOWN）的層次化設計方法在現代EDA設計中有著明顯的優勢，越來越受到設計者的歡迎。對于一個復雜的設計系統，運用層次化設計方法，使設計課題進一步細化，分塊設計，條理清晰。另外，在調試時可采用逆向調試方式，即從模塊調試向總體調試方向開展調試工作，使設計中出現的問題在模塊級就能發現，及時處理，這樣就會使一個復雜的設計變得容易調試，縮短了設計時間。

1 基于狀態機的8路彩燈VHDL設計

在我們的生活中，電子彩燈已成為我們裝點生活常用的電器，電子彩燈控制電路的設計要求也越來越高。要求我們設計的彩燈花樣品種更多，控制更加方便，靈活性高，可靠性高。采用傳統數字電路設計的彩燈控制器電路復雜、設計周期長、精度不高。基于FPGA的電子彩燈設計，設計靈活，功能完善。

1）設計要求：設計一個8路彩燈，具體要求有：

（1）要求電路能循環顯示六種不同的花型（可定 為 0000000、0000001、0000010、0000100、0001000、0010000）。

（2）具有對彩燈顯示調速的功能，設計一個按鈕，輸入高電平時變化快，輸入低電平時變化慢。

（3）具有手動輸入功能，通過一個切換按鈕，可以實現手動輸入變化花型。

2）設計思路：

采用層次設計法，頂層采用原理圖設計，底層采用VHDL設計。以下是它的方框圖。底層分為三個子電路模塊，分別是循環彩燈控制（COLOR8a）子電路模塊、）二選一數選器（my_ mux21b）、調速（my_clk4）子電路模塊。

圖1 8路彩燈的總體框圖

（1）循環彩燈控制（COLOR8a）子電路模塊是8路彩燈電路的核心部分。它主控著8路彩燈的花型種類。循環彩燈控制（COLOR8a）子電路模塊主要采用狀態機來實現，用狀態機來設計靈活性很強。按設計要求要實現六種花型0000000、0000001、0000010、0000100、0001000、0010000，用S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6來表示7種循環的狀態。我們可以做狀態圖如圖2所示。

圖2 彩燈循環狀態圖

用狀態機設計語句type states來實現，參考程序如下。循環彩燈控制模塊程序：

在QUARTERII軟件上進行波形仿真，如圖3所示：

圖3 彩燈循環模塊仿真圖

（2）調速（my_clk4）子電路模塊。按照設計要求，彩燈循環速度可調。采用分頻電路來實現，我們設定時鐘CLK為1S，采用分頻電路實現4分頻電路，輸出0.25S時鐘，實現兩種花型循環速度可調。（程序略）在QUARTERII軟件上進行波形仿真，如圖4所示：

圖4 四分頻模塊仿真圖

（3）二選一數選器（my_mux21b），用于實現對兩種時鐘的選擇，和分頻電路一起實現調速。（程序略）其仿真電路圖如圖5所示。

圖5 二選一電路模塊仿真圖

（4）二選一數器實現手動輸入花型的控制

（5）對四子模塊VHDL設計電路進行打包分別生成元件（SYMBOL），如下圖6所示。

圖6 電子電路元件符號

（6）用原理圖法實現頂層文件的設計。如圖7所示。

2 設計拓展

采用模塊化設計方法，每個模塊功能明確，也便于實現對設計要求的更改。比如我們可以通過更改循環彩燈控制（COLOR8a）模塊來改變8路采燈的花型，我們可以設定循環狀態為S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7……S20二十種狀態來實現二十種花型變化。比如我們可以修改分頻電路的程序來改變輸出頻率，以實現不同的花型變化速度等。

圖7 8路彩燈頂層設計電路圖

3 結束語

使用VHDL語言進行8路彩燈電路設計，思路簡單，功能明了，靈活性強。在主控電路中采用狀態機設計，電路控制靈活，功能便于實現，思路簡捷便于修改。采用自頂向下的層次設計法，而且頂采用原理圖法設計設計層次清楚易讀，便于程序的修改。

使用QUARTARⅡ設計電路不僅可以進行邏輯仿真，還可以進行時序仿真，使用FPGA不僅省去了電路制作的麻煩，還可以反復進行硬件的實驗，非常方便地修改設計，且設計的電路的保密性強。總之，采用EDA技術使得復雜的電子系統的設計變的簡單易行，提高了設計的效率。

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