LED點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

LED 點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)報(bào)告華中科技大學(xué) 電信提高班1101 一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模涸O(shè)計(jì)多種方案點(diǎn)亮DE2開發(fā)板上的LED燈，熟悉使用DE2開發(fā)板。2 方案設(shè)計(jì)：方案一：設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器，通過(guò)計(jì)數(shù)器輸出十進(jìn)制數(shù)值的奇偶性來(lái)控制LED燈的亮與暗Step1：設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)規(guī)律為4-5-6-7-8-9-4-5-6-7-8-9-4.的計(jì)數(shù)器1. 設(shè)計(jì)分頻電路該電路的作用是把一個(gè)頻率為50MHz的電源分頻為1Hz的電源。該設(shè)計(jì)電路我在quartus上，采用verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。源代碼如下截圖：說(shuō)明：分頻器的源代碼截圖然后將這段代碼生成一個(gè)元件，如下圖，其中有一個(gè)50MHz的輸入端口，有一個(gè)1Hz的輸出端口。說(shuō)明：生成的分頻器元件說(shuō)明： In：輸入脈沖頻率（50MHZ） Out：輸出脈沖頻率（1HZ）2. 設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)電路通過(guò)芯片74191實(shí)現(xiàn)，由于在計(jì)數(shù)器到9時(shí)重新由4開始計(jì)數(shù)，因此在QDQCQBQA輸出為1010的時(shí)候，反饋給74191的載入端子，使其重新載入DCBA=0100，開始計(jì)數(shù)。在quartus上設(shè)計(jì)的電路如下圖，其中Lab05元件為七段顯示譯碼器件，用于接入發(fā)光二極管，從而比較直觀地驗(yàn)證結(jié)果。（4-9計(jì)數(shù)，譯碼電路）（電路引腳分配截圖）該電路點(diǎn)亮LED燈的方法是：十進(jìn)制計(jì)數(shù)輸出為奇數(shù)是，LED燈亮，輸出為偶數(shù)時(shí)，LED燈滅，電路在DE2開發(fā)板實(shí)現(xiàn)的結(jié)果錄像在附件中。方案二：模仿交通燈的設(shè)計(jì)，控制紅色和綠色的LED燈的亮與滅該方案是通過(guò)一盞紅色LED燈和綠色LED燈來(lái)簡(jiǎn)易地模仿交通燈的設(shè)計(jì)，其基本原理是：在一定時(shí)間內(nèi)顯示紅燈，然后開始倒計(jì)時(shí)，過(guò)了一定時(shí)間后，就顯示一段時(shí)間的綠燈，再倒計(jì)時(shí)，然后重新顯示紅燈。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中我簡(jiǎn)化了交通燈的模型，紅燈和綠燈的倒計(jì)時(shí)間一樣，都設(shè)定為8秒，即計(jì)時(shí)器顯示為8-7-6-5-4-3-2-1-8-7-6-5-4-3-2-1.于是，應(yīng)該先做一個(gè)模八的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，這個(gè)功能我通過(guò)芯片74191完成。而紅燈綠燈的切換顯示我通過(guò)一個(gè)JK觸發(fā)器完成，其余的主要是為實(shí)現(xiàn)模為8服務(wù)，在quartus上連接的電路如下截圖所示：（紅綠燈模擬電路連線）實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果應(yīng)該為每次倒計(jì)時(shí)8到1的時(shí)候，都只會(huì)有一盞燈亮，然后到下一個(gè)8到1倒計(jì)時(shí)的時(shí)候，就會(huì)換成另一種顏色的LED燈亮，而原來(lái)亮的LED燈會(huì)滅掉。在DE2開發(fā)板上的實(shí)現(xiàn)詳見附件：方案三：模仿射擊小游戲中的子彈發(fā)射過(guò)程，控制18盞紅色LED燈和2盞綠色LED燈的亮與滅如今假設(shè)從右往左開槍射擊，特別地用兩盞綠色LED燈代表槍頭，每次綠色LED燈亮就代表開槍射擊，用兩盞發(fā)光的紅色LED燈代表射出的槍彈，開槍后槍彈從右往左運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)中用兩盞發(fā)光的紅色LED燈從右往左運(yùn)動(dòng)代表。那么通過(guò)電路設(shè)計(jì)，可以模擬出射擊小游戲中的槍彈射擊過(guò)程。設(shè)計(jì)電路中，使用了一個(gè)使50MHz分頻成12Hz的分頻器，是通過(guò)verilog代碼編寫的分頻元件，其verilog代碼如下截圖所示：（50MHz-12Hz分頻器代碼截圖）然后通過(guò)芯片7490構(gòu)成一個(gè)0-9的計(jì)數(shù)器，然后把計(jì)數(shù)器的輸出，作為數(shù)據(jù)選擇器的輸入，電路中我使用的芯片為7442數(shù)據(jù)選擇器芯片，然后把數(shù)據(jù)選擇器的每個(gè)輸出端口連接到相鄰的兩個(gè)LED燈上去，就完成了簡(jiǎn)化后的“子彈發(fā)射”模型。由于數(shù)據(jù)選擇器的輸出是高電平，因此在7442芯片的輸出都加了一個(gè)非門把電平置反。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路如圖所示：（“子彈發(fā)射”模型設(shè)計(jì)電路）在DE2開發(fā)板上的測(cè)試成果詳見附件中的視頻，部分截圖如下所示：方案四：設(shè)計(jì)一個(gè)四比特移位器，利用移位器控制四盞LED燈的亮與暗Step1：運(yùn)用verilog HDL設(shè)計(jì)4to1的數(shù)據(jù)選擇器如今我們需要的數(shù)據(jù)選擇器的要求如下：數(shù)據(jù)輸入端口為：W0,W1,W2,W3，選擇輸入端口為S0，S1；輸出為一位的F。當(dāng)S0=0，S1=0時(shí)，F(xiàn)為W0；當(dāng)S0=1，S1=0時(shí)，F(xiàn)為W1；當(dāng)S0=0，S1=1時(shí)，F(xiàn)為W2；當(dāng)S0=1，S1=1時(shí)，F(xiàn)為W3；于是，得到的verilogHDL語(yǔ)句如下截圖（圖一）：圖一通過(guò)這段程序所建模出來(lái)的4to1選擇器元件如圖二：圖二Step2：設(shè)計(jì)一個(gè)移位器 通過(guò)分析得到如下輸出表格：S1S0F3F2F1F0通過(guò)端口00X3X2X1X0W001X2X1X0X-1W110X1X0X-1X-2W211X0X-1X-2X-3W3 因此，用四個(gè)4-to-1數(shù)據(jù)選擇器，分別作為F3，F(xiàn)2，F(xiàn)1，F(xiàn)0的輸出，容易看出，輸出F3的選擇器W0應(yīng)該連接X(jué)3，W1端口應(yīng)該連接X(jué)2，W2端口應(yīng)該連接X(jué)1，W3端口應(yīng)該連接X(jué)0。以此類推，就能弄清楚每個(gè)端口應(yīng)該連接哪一個(gè)輸入端子。 通過(guò)連接，得到如下的電路圖，如圖三： 圖三Step3：測(cè)試運(yùn)用DE2的LEDR燈，高電平發(fā)光，低電平不發(fā)光的特性，用作測(cè)試工具測(cè)試的時(shí)候，是根據(jù)如下圖分配引腳的：（圖四）圖四以下表格為數(shù)據(jù)測(cè)試表格，其輸入和輸出的真值關(guān)系如下表：X3X2X1X0X-1X-2X-3S1S0F3F2F1F010011100100111110000110000111001100111011010101001011011011010110然后根據(jù)上述表格的輸入，在DE2板上得到輸出結(jié)果，如下圖所示，其中F3，F(xiàn)2，F(xiàn)1，F(xiàn)0分別代表前四個(gè)LED燈的亮暗情況，1為燈亮，0為燈滅：（上表的第一種情況，三、四燈亮)（上表的第二種情況，燈全滅)（上表的第三種情況，燈全滅)（上表的第四種情況，二、四燈亮)（上表的第五種情況，二、三燈亮)方案五：模仿五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，一盞燈為個(gè)位計(jì)數(shù)指示燈，另一盞燈為進(jìn)位指示燈輸入為一個(gè)500MHz的時(shí)間脈沖，通過(guò)分頻器使之輸出1Hz的時(shí)間脈沖，使用這個(gè)1HZ的時(shí)間脈沖點(diǎn)亮一盞LED燈，然后通過(guò)芯片7490，使用5進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在最高位QD端子輸出脈沖，和時(shí)間脈沖進(jìn)行一次與運(yùn)算，就可以得到一個(gè)和時(shí)間脈沖高電平時(shí)間相同的高電平，把它作為第二盞LED燈的點(diǎn)亮脈沖。通過(guò)時(shí)間脈沖點(diǎn)亮一盞LED燈，用頻率為時(shí)間脈沖頻率的五分之一的脈沖點(diǎn)亮另一盞LED燈。設(shè)計(jì)的邏輯電路圖如下：（邏輯電路圖） （兩盞LED燈的波形圖）該方案實(shí)現(xiàn)的結(jié)果已經(jīng)用視頻進(jìn)行展示，詳見附件。方案六：模仿霓虹燈的設(shè)計(jì)，使兩盞LED燈交替閃亮輸入為一個(gè)500MHz的時(shí)間脈沖，通過(guò)分頻器使之輸出1Hz的時(shí)間脈沖，使用這個(gè)1HZ的時(shí)間脈沖點(diǎn)亮一盞LED燈，然后通過(guò)一個(gè)非門，對(duì)時(shí)間脈沖進(jìn)行處理，輸出在點(diǎn)亮一盞LED燈，這樣就可以使兩盞LED燈交替點(diǎn)亮，一盞在時(shí)間脈沖高電平點(diǎn)亮，另一盞在時(shí)間脈沖的低電平點(diǎn)亮。設(shè)計(jì)的邏輯電路圖如下：（邏輯電路圖）（引腳分配截圖）方案七：模仿學(xué)生寢室亮燈的設(shè)計(jì)，通過(guò)開關(guān)來(lái)控制LED燈的亮與滅學(xué)生寢室亮燈，主要有兩個(gè)開關(guān)，一個(gè)開關(guān)在寢室內(nèi)部，用于供學(xué)生使用，另一個(gè)開關(guān)由樓管阿姨控制，該開關(guān)對(duì)所有寢室的燈統(tǒng)一控制。若用0表示燈滅和開關(guān)斷開，用1表示燈亮和開關(guān)閉合，由于學(xué)生寢室的開關(guān)相互之間是互相獨(dú)立的，因此每個(gè)學(xué)生寢室的開關(guān)情況與樓管總開關(guān)的關(guān)系是一樣的，則真值表如下圖所示：樓管總開關(guān)學(xué)生寢室開關(guān)燈000010100111現(xiàn)在我假設(shè)有四間學(xué)生寢室，于是就有四盞燈需要點(diǎn)亮，由以上真值表可以畫出電路圖：（寢室點(diǎn)燈電路設(shè)計(jì)圖）（引腳分配圖）在DE2開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)的仿真如下圖所示，其中，從右數(shù)起第五個(gè)開關(guān)代表樓管開關(guān)，其余四個(gè)分別為四個(gè)寢室的開關(guān)。測(cè)試結(jié)果如下圖所示：方案八：通過(guò)輸入的二進(jìn)制的數(shù)值的奇偶特性控制LED燈的亮與暗這里我設(shè)計(jì)的電路是一個(gè)三位二進(jìn)制數(shù)值的奇偶校驗(yàn)電路，當(dāng)輸入的二進(jìn)制數(shù)值a0a1a2是奇數(shù)的時(shí)候（即有奇數(shù)個(gè)1），LED燈就會(huì)發(fā)光，當(dāng)輸入的二進(jìn)制數(shù)值a0a1a2是偶數(shù)的時(shí)候（即有偶數(shù)個(gè)1），LED燈就不發(fā)光。輸入與輸出的真值表如下所示：a0a1a2output00000011010101101001101011001111于是，通過(guò)卡諾圖化簡(jiǎn)法，可以得出output和a0a1a2的邏輯表達(dá)式。于是使用了異或門設(shè)計(jì)了如下奇偶校驗(yàn)電路，通過(guò)輸出的高低電平，控制LED燈的亮與暗：（奇偶校驗(yàn)電路設(shè)計(jì)圖）通過(guò)DE2開發(fā)板，測(cè)試的結(jié)果如下圖所示：方案九：直接從DE2開發(fā)板中使用高電平點(diǎn)亮LED燈這種方案是利用了DE2開發(fā)板多功能仿真的特點(diǎn)，直接在設(shè)計(jì)電路中給輸出接上一個(gè)高電平，然后輸出接上一個(gè)紅色LED燈，從而使燈點(diǎn)亮。該方案比較簡(jiǎn)單，但是充分體現(xiàn)了quartus軟件的仿真模擬功能以及DE2開發(fā)板對(duì)電路設(shè)計(jì)強(qiáng)大的仿真，模擬以及實(shí)現(xiàn)的功能。（高電平點(diǎn)亮LED燈電路設(shè)計(jì)圖）在DE2開發(fā)板上的測(cè)試結(jié)果如下截圖顯示：方案十：利用開關(guān)控制LED燈的亮與暗通過(guò)設(shè)計(jì)輸入輸出電路，然后輸入接到DE2開發(fā)板的開關(guān)引腳，輸出接到一盞紅色LED燈上，就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)開關(guān)控制LED燈的亮與暗。設(shè)計(jì)電路如下圖：（開關(guān)控制LED燈亮暗實(shí)現(xiàn)電路以及引腳分配截圖）在DE2開發(fā)板上的測(cè)試結(jié)果如下截圖所示：之所以在這里列出方案八方案九這兩種最簡(jiǎn)單的控制LED燈亮暗的方法，是因?yàn)槲抑暗钠邆€(gè)方案都是基于這兩種方案拓展出去，添加別的設(shè)計(jì)從而點(diǎn)亮LED燈的?？梢哉f(shuō)方案八和方案九是我所有點(diǎn)燈方案的基礎(chǔ)和根本，因此，我在這里把它們羅列出來(lái)。3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)1. 通過(guò)這次的完成LED燈點(diǎn)亮設(shè)計(jì)，使我對(duì)DE2開發(fā)板的開發(fā)與使用更加熟悉了。通過(guò)軟件可以輕易模擬出電路，芯片功能等等，通過(guò)DE2開發(fā)板則彌補(bǔ)了軟件所欠缺的硬件實(shí)現(xiàn)部分，通過(guò)DE2開發(fā)板的可編程邏輯（FPGA），可以輕松使用DE2板上所攜帶的所有電路元件，輕易節(jié)省了實(shí)際中的連線操作所需要花費(fèi)的大量時(shí)間。2. 對(duì)于一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，我們應(yīng)該首先將其抽象出一個(gè)電路模型，然后從模型出發(fā)，解決問(wèn)題。比如我上面的交通燈亮燈問(wèn)題，射擊過(guò)程，寢室樓棟亮燈管理等的模擬，都是