LED点灯实验报告

LED点灯实验报告华中科技大学电信提高班1101实验目的：设计多种方案点亮DE2开发板上的LED灯，熟悉使用DE2开发板。二方案设计：方案一：设计个计数器，通过计数器输出十进制数值的奇偶性来控制 LED 灯的亮与暗Step1 :设计一个计数规律为4-5-6-7-8-9-4-5-6-7-8-9-4的计数器1. 设计分频电路该电路的作用是把一个频率为50MHz的电源分频为1Hz的电源。该设计电路我在quartus上，采用verilogHDL语言实现。源代码如下截图：1 module fenpin(in_50MHz,out_lHz);2 input in_50MHz;3 output out_lHz;4 reg out_lHz;5 reg 31:0ent;69if (ent 321d24999999)10Sbegin11ent=ent + 11 Bl;12end13else14Sbegin15ent=32bO;16out1Hz = -out 1Hz;17end18end1920encimodule7 always0(posedge in_50MHz)8 Sbegin说明：分频器的源代码截图然后将这段代码生成一个元件，如下图，其中有一个50MHz的输入端口，有一个1Hz的 输出端口。fenpinin_5uh.1Hzui_rt_1 Hzinst2说明：生成的分频器元件说明：In :输入脉冲频率(50MHZ)Out :输出脉冲频率(1HZ)2. 设计计数电路计数电路通过芯片74191实现由于在计数器到9时重新由4开始计数,因此在QDQCQBQA 输出为1010的时候，反馈给74191的载入端子，使其重新载入DCBA=0100，开始计数。在quartus上设计的电路如下图，其中Lab05元件为七段显示译码器件，用于接入发光二极 管，从而比较直观地验证结果。（4-9计数，译码电路）（电路引脚分配截图）该电路点亮LED灯的方法是：十进制计数输出为奇数是，LED灯亮，输出为偶数时，LED 灯灭，电路在DE2开发板实现的结果录像在附件中。方案二：模仿交通灯的设计，控制红色和绿色的LED灯的亮与灭该方案是通过一盏红色LED灯和绿色LED灯来简易地模仿交通灯的设计，其基本原理是： 在一定时间内显示红灯，然后开始倒计时，过了一定时间后，就显示一段时间的绿灯，再倒 计时，然后重新显示红灯。在这个实验中我简化了交通灯的模型，红灯和绿灯的倒计时间一 样，都设定为8秒，即计时器显示为8-7-6-5-4-3-2-1-8-7-6-5-4-3-2-1.于是，应该先做一个 模八的倒计时计数器，这个功能我通过芯片74191完成。而红灯绿灯的切换显示我通过一个JK触发器完成，其余的主要是为实现模为8服务，在quartus上连接的电路如下截图所示:（红绿灯模拟电路连线）实验测试结果应该为每次倒计时8到1的时候，都只会有一盏灯亮，然后到下一个8到1 倒计时的时候，就会换成另一种颜色的LED灯亮，而原来亮的LED灯会灭掉。在DE2开 发板上的实现详见附件：方案三:模仿射击小游戏中的子弹发射过程控制18盏红色LED灯和2盏绿色 LED灯的亮与灭如今假设从右往左开枪射击，特别地用两盏绿色LED灯代表枪头，每次绿色LED灯亮就代 表开枪射击，用两盏发光的红色LED灯代表射出的枪弹，开枪后枪弹从右往左运动，设计 中用两盏发光的红色LED灯从右往左运动代表。那么通过电路设计，可以模拟出射击小游 戏中的枪弹射击过程。设计电路中，使用了一个使50MHz分频成12Hz的分频器，是通过verilog代码编写的分频 元件，其verilog代码如下截图所示：1 module fenpin(in_50HHz,out_12Hz);2 input in 50MHz;3output, out. 12Hz;4reg out 12Hz;5reg 31:0ent;67always(posedge in 50MHz)8Hbegin9if(ent 321d24999999)10begin11ent = ent + 41E1100;12end13else14begin15ent = 321b0;16out 12Hz = out 12|Hz;17end18 end19（50MHz-12Hz分频器代码截图）19 endinodule然后通过芯片7490构成一个0-9的计数器，然后把计数器的输出，乍为数据选择器的输入， 电路中我使用的芯片为7442数据选择器芯片，然后把数据选择器的每个输出端口连接到相 邻的两个LED灯上去，就完成了简化后的子弹发射”模型。由于数据选择器的输出是高电平，因此在7442芯片的输出都加了一个非门把电平置反。实验设计电路如图所示:（子弹发射模型设计电路）在DE2开发板上的测试成果详见附件中的视频，部分截图如下所示:方案|盏LED灯的亮与暗Step1 :运用verilog HDL设计4tol的数据选择器如今我们需要的数据选择器的要求如下：数据输入端口为：W0,W1,W2,W3，选择输入端口为SO , S1 ；输出为一位的F。当 S0=0，S1=0 时，F 为 WO ；当 S0=1，S1=0 时，F 为 W1 ；当 S0=0，S1=1 时，F 为 W2 ；当 S0=1，S1=1 时，F 为 W3 ；于是，得到的verilogHDL语句如下截图(图一)：1 module mux4tol(WO,Hl,W2,W3,SO,SI,F);3456789101112output. F;reg x;always(SO or SI or WO or Hl or W2 or W3)2 input WO,HI,W2,W3,SO,S1;case(SO):if(S1)x=W0;else x=W2; 1:if(S1)x=Wl;else x；ND2instj.，”UTPUTIed2（逻辑电路图）C：p_ILILJLJLI4 T 氏pOUTH5T（两盏LED灯的波形图）该方案实现的结果已经用视频进行展示，详见附件。方案六：模仿霓虹灯的设计，使两盏LED灯交替闪亮输入为一个500MHz的时间脉冲，通过分频器使之输出1Hz的时间脉冲，使用这个1HZ的时间脉冲点亮一盏LED灯，然后通过一个非门，对时间脉冲进行处理，输出在点亮一盏LED灯，这样就可以使两盏LED灯交替点亮，一盏在时间脉冲高电平点亮，另一盏在时间脉冲:-fenpin的低电平点亮。设计的逻辑电路图如下:$ pin_name3| 鰹T j_ in_50MHz out_1 Hzjinst I I I I I I I I I I I I I I I I ! I i ：（逻辑电路图）（弓I脚分配截图）方案七：模仿学生寝室亮灯的设计，通过开关来控制LED灯的亮与灭学生寝室亮灯，主要有两个开关，一个开关在寝室内部，用于供学生使用，另一个开关由楼 管阿姨控制，该开关对所有寝室的灯统一控制。若用0表示灯灭和开关断开，用1表示灯亮 和开关闭合，由于学生寝室的开关相互之间是互相独立的，因此每个学生寝室的开关情况与 楼管总开关的关系是一样的，则真值表如下图所示：楼管总开关学生寝室开关灯000010100111现在我假设有四间学生寝室，于是就有四盏灯需要点亮，由以上真值表可以画出电路图：（弓I脚分配图）在DE2开发板上实现的仿真如下图所示，其中，从右数起第五个开关代表楼管开关，其余 四个分别为四个寝室的开关。测试结果如下图所示:方案A：通过输入的二进制的数值的奇偶特性控制LED灯的亮与暗这里我设计的电路是一个三位二进制数值的奇偶校验电路，当输入的二进制数值a0ala2是 奇数的时候（即有奇数个1 ）, LED灯就会发光，当输入的二进制数值a0a1a2是偶数的时候 （即有偶数个1）,LED灯就不发光。输入与输出的真值表如下所示：a0a1a2output00000011010101101001101011001111于是，通过卡诺图化简法，可以得出output和a0a1a2的逻辑表达式。于是使用了异或门设计了如下奇偶校验电路，通过输出的高低电平，控制LED灯的亮与暗：通过DE2开发板，测试的结果如下图所示:方案九:接从DE2开发板中使用高电平点亮LED灯这种方案是利用了 DE2开发板多功能仿真的特点，直接在设计电路中给输出接上一个高电平然后输出接上一个红色LED灯从而使灯点亮。该方案比较简单，旦是充分体现了 quartus软件的仿真模拟功能以及DE2开发板对电路设计强大的仿真，模拟以及实现的功能。jQUTPUTjpinamPPIN/E|：（高电平点亮 LED 灯电路设计图） 在DE2开发板上的测试结果如下截图显示:方案十：利用开关控制LED灯的亮与暗通过设计输入输出电路，然后输入接到DE2开发板的开关引脚，输出接到一盏红色LED灯上，就可以实现通过开关控制LED灯的亮与暗。设计电路如下图：PINJ25piri_nameQi-iTPLiT|、piri_namei（开关控制LED灯亮暗实现电路以及引脚分配截图）在DE2开发板上的测试结果如下截图所示:之所以在这里列出方案八方案九这两种最简单的控制LED灯亮暗的方法，是因为我之前的 七个方案都是基于这两种方案拓展出去，添加别的设计从而点亮LED灯的。可以说方案八 和方案九是我所有点灯方案的基础和根本，因此，我在这里把它们罗列出来。三实验总结1. 通过这次的完成LED灯点亮设计，吏我对DE2开发板的开发与使用更加熟悉了。通过软件可以轻易模拟出电路，芯片功能等等，通过DE2开发板则弥补了软件所欠缺的硬件实现 部分，通过DE2开发板的可编程逻辑（FPGA ），可以轻松使用DE2板上所携带的所有电路 元件，轻易节省了实际中的连线操作所需要花费的大量时间。2. 对于一个实际问题，我们应该首先将其抽象出一个电路模型，然后从模型出发，解决问 题。比如我上面的交通灯亮灯问题，射击过程，寝室楼栋亮灯管理等的模拟，都是通过对实 际问题的抽象，建模，然后才提出解决方案，设计实现电路。3. 这次实验，我觉得最大的体会就是对于电路各个模块的设计与封装。将电路的各模块分 开设计，分别调试，大大加大了电路完成的效率。比如说，在好几个点灯方案中我都用到了 把50MHz分频成1Hz的元件，那就是元件的封装，通过编写一次verilog代码，就可以重 复使用该代码所创造出来的元件，十分方便。各个电路模块分而自治，若在团队合作中，可 以增加团队的机动性和合作性。