LED点灯实验报告.pdf
LED 点灯实验报告 华中科技大学 电信提高班 1101 一实验目的：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：设计一个计数器，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 verilog HDL语言实现。源代码如下截图：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。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：（50MHz-12Hz 分频器代码截图）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，作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：方案四：设计一个四比特移位器，利用移位器控制四盏 LED 灯的亮与暗 Step1：运用 verilog HDL 设计 4to1 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 S0，S1；输出为一位的 F。当 S0=0，S1=0 时，F 为 W0；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）：图一 通过这段程序所建模出来的 4to1 选择器元件如图二：图二 Step2：设计一个移位器 通过分析得到如下输出表格：S1 S0 F3 F2 F1 F0 通过端口 0 0 X3 X2 X1 X0 W0 0 1 X2 X1 X0 X-1 W1 1 0 X1 X0 X-1 X-2 W2 1 1 X0 X-1 X-2 X-3 W3 因此，用四个 4-to-1 数据选择器，分别作为 F3，F2，F1，F0 的输出，容易看出，输出 F3的选择器 W0 应该连接 X3，W1 端口应该连接 X2，W2 端口应该连接 X1，W3 端口应该连接 X0。以此类推，就能弄清楚每个端口应该连接哪一个输入端子。通过连接，得到如下的电路图，如图三：图三 Step3：测试 运用 DE2 的 LEDR 灯，高电平发光，低电平不发光的特性，用作测试工具 测试的时候，是根据如下图分配引脚的：（图四）图四 以下表格为数据测试表格，其输入和输出的真值关系如下表：X3 X2 X1 X0 X-1 X-2 X-3 S1 S0 F3 F2 F1 F0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 然后根据上述表格的输入，在 DE2 板上得到输出结果，如下图所示，其中 F3，F2，F1，F0分别代表前四个 LED 灯的亮暗情况，1 为灯亮，0 为灯灭：（上表的第一种情况，三、四灯亮)（上表的第二种情况，灯全灭)（上表的第三种情况，灯全灭)（上表的第四种情况，二、四灯亮)（上表的第五种情况，二、三灯亮)方案五：模仿五进制计数器，一盏灯为个位计数指示灯，另一盏灯为进位指示灯 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，然后通过芯片 7490，使用 5 进制计数器，在最高位 QD 端子输出脉冲，和时间脉冲进行一次与运算，就可以得到一个和时间脉冲高电平时间相同的高电平，把它作为第二盏 LED 灯的点亮脉冲。通过时间脉冲点亮一盏 LED 灯，用频率为时间脉冲频率的五分之一的脉冲点亮另一盏 LED 灯。设计的逻辑电路图如下：（逻辑电路图）（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，另一盏在时间脉冲的低电平点亮。设计的逻辑电路图如下：（逻辑电路图）（引脚分配截图）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 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 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：（寝室点灯电路设计图）（引脚分配图）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：方案八：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 a0a1a2 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：a0 a1 a2 output 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 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：（奇偶校验电路设计图）通过 DE2 开发板，测试的结果如下图所示：方案九：直接从 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，但是充分体现了 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。（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：（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，使我对 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。
