基于VHDL的彩燈控制器的設計

尚肖肖+劉言實

【摘 要】彩燈對于美化、亮化城市有著重要的作用。而彩燈控制器作為彩燈的一個重要部分更是備受關注。傳統的彩燈控制電路一般是由數字電路組成，因此結構復雜、成本較高且功率損耗大，而且電路的老化以及機械元件的變化將會導致觸發電路電源開關的不穩定，最終使得彩燈經常發生故障。本文設計了一種基于VHDL的彩燈控制器。與傳統的設計相比，該設計具有速度快、體積小，重量輕的優點。

【關鍵詞】彩燈控制器；VHDL

0 引言

彩燈對于美化、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越大，人們此時開始關注彩燈的花型、創意等元素，而彩燈控制器作為彩燈的一個重要部分更是備受關注?；趥鹘y的機械和純電路的控制方式有著十分嚴重的弊端，傳統的彩燈控制電路一般是由數字電路組成，這種彩燈控制器電路結構復雜、成本高、損耗大，電路一旦老化以及機械元件的變化將導致觸發電路電源開關不穩定，使得彩燈經常發生故障。

本設計是基于VHDL的彩燈控制器設計，實現對LED彩燈的控制。主要是以FPGA的最小系統作為主控核心與發光二極管、電阻、開關等組成電路，利用軟件編譯實現彩燈花型變換的效果，可以有效地彌補原來傳統的彩燈控制電路的缺點和不足。

1 硬件設計

彩燈控制器的硬件部分可分為兩個模塊：主控核心和外圍電路。通過這兩個模塊就可以實現整個彩燈控制器的設計。

本著簡化設計、縮小設計成本的想法，本設計的彩燈控制器的主控核心選擇的是Altera公司的FPGA最小系統它搭載的是Cyclone Ⅱ系列的芯片EP2C5Q208C8N。

外圍電路分為LED顯示電路、開關控制電路兩個部分。

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

開關控制電路部分電路由四個四腳輕觸無鎖開關和四個10K歐姆的電子組成，開關一腳接地對腳接電阻，其余兩腳懸空處理，電阻的另一端接上另一個排針即可。

2 硬件調試

首先是對系統外接電路以及FPGA最小系統的調試；在這兩個部分都能正常工作的情況下，整個系統所要工作的硬件部分就是正常的。整個調試過程一共分為三個調試模塊，分別為電路板走線通斷調試、電源電路調試和選擇按鍵調試。

2.1 電路板走線通斷調試

（1）電路板調試首先直觀的要對比電路板與PCB是否符合，特別要注意銅線是否有斷裂，過孔是否打通，焊盤大小是否符合設計規則等。但是在實際測試中，光用眼睛看是不能說明問題。

（2）需要用萬用表來輔助調試。將萬用變打到通斷檔，測試所有地線是否接通，測試關鍵部位銅線的通斷。測試完畢之后，可以確定電路板與PCB板符合。但并不能說明一定能工作，所以要結合后面的模塊調試來確定板子的正確性。

2.2 電源電路調試

（1）直觀的看電源指示燈，若發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。因此需要對電源進行另一方面的測試。

（2）用萬用表或示波器測試電源電壓的值，從數據上判斷電壓是否適合本人所設計的系統。當電源電路正常工作時，電源指示燈能正常發光，萬用表所測電壓也正常，說明電源調試成功。

2.3 選擇按鍵調試

（1）不按下按鍵時輸出口的電平；

（2）按下按鍵時輸出口的電平；通過這兩個結果的前后對比就能知道按鍵是否能正常的通斷。

3 軟件系統設計及其調試

軟件的具體設計流程可以依次概括為設計說明、建立VHDL行為模塊、VHDL行為仿真、VHDL-RTL級建模、前端功能仿真、邏輯綜合、測試向量生成、功能仿真、結構綜合、門級時序仿真、硬件測試，最后是設計完成。設計頂層文件由速度控制模塊和彩燈顯示模塊兩個子模塊組成。

速度控制模塊主要由3個部分組成，先設置了初始分頻部分，再是按鍵控制部分，最后是在任意分頻下根據速度調節進程輸出最終時鐘的情況。實體程序如下：

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

接下來進行程序下載，程序下載完畢后還要進行軟件的調試，同時軟件的調試也可以進一步調試硬件的正確性。軟件的調試方法是將之前寫好的程序燒錄進芯片直接運行。運行各模塊驅動程序，然后通過觀察外圍電路即：開關控制電路和LED顯示電路的正常工作來說明調試成功。

【參考文獻】

[1]李俊.EDA技術與VHDL編程[M].北京：電子工業出版社，2012.

[2]周孟然.CPLD/FPGA的開發與應用[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[3]王道憲.VHDL電路設計技術[M]北京：國防工業出版社，2004.

[4]趙鑫.VHDL與數字電路設計[M]北京：機械工業出版社，2005.

[5]Jinsoo Han，Chang-Sic Choi，Il-Woo Lee. More efficient home energy management system based on ZigBee communication and infrared remote controls. IEEE Trans，2011（3）：85-89.

[6]Meng-Lin Hsia，Oscal T.-C. Chen，Huang-Tzung Jan，Sun-Chen Wang，Yaw-Tyng Wu. Rapid bit-error-rate measurements of infrared communication ssystems. IEEE，2004（4）：225-228.

[責任編輯：朱麗娜]