0 引言

　　隨著科技的不斷的發(fā)展，對(duì)集成電路的要求越來(lái)越高。FPGA／CPLD也被大量的應(yīng)用。它具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、適用范圍寬、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)（一般在10,000件以下）之中。幾乎所有應(yīng)用中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場(chǎng)合均可應(yīng)用CPLD器件。CPLD器件已成為電子產(chǎn)品不可缺少的組成部分，它的設(shè)計(jì)和應(yīng)用成為電子工程師必備的一種技能。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）是可編程器件。與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA利用小型查找表（16×1RAM）來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了即可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。

　　QuartusⅡ是Altera公司在21世紀(jì)初推出的FPGA／CPLD集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，是Altera公司前一代FPGA／CPLD集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Max+PlusⅡ的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其界面友好，使用便捷，功能強(qiáng)大，為設(shè)計(jì)者提供了一種與結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的設(shè)計(jì)環(huán)境，使設(shè)計(jì)者能方便的進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入、快速處理和器件編程。

　　本文在QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境下，用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一種可用于控制16路彩燈，具有4種彩燈變換模式，且變換速度可調(diào)的彩燈控制器。

　　1 16路可調(diào)速彩燈控制囂設(shè)計(jì)思路

　　16路可調(diào)逮彩燈控制器根據(jù)功能可分為3個(gè)部分，如圖1所示。其中，8 Hz分頻部分用于對(duì)頻率為10 MHz的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，獲得頻率為8 Hz的時(shí)鐘信號(hào)CLK8。CLK8作為速度控制部分的基準(zhǔn)時(shí)鐘，通過(guò)計(jì)數(shù)分頻方式又可獲得頻率分別為4 Hz，2 Hz和1 Hz的時(shí)鐘信號(hào)，然后由調(diào)速信號(hào)選擇其中之一作為彩燈時(shí)鐘信號(hào)CLKQ，CLKQ即為彩燈控制部分的基準(zhǔn)時(shí)鐘，用于決定彩燈變換的速度，由此實(shí)現(xiàn)調(diào)速信號(hào)SPD對(duì)彩燈變換速度的控制，使彩燈可調(diào)速。

　　彩燈控制部分通過(guò)輸出1個(gè)16位二進(jìn)制數(shù)來(lái)控制16個(gè)彩燈，每一位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)1個(gè)彩燈的開(kāi)關(guān)，當(dāng)該位數(shù)字為“1”時(shí)燈亮，該位數(shù)字為“O”時(shí)燈滅。彩燈的變換共設(shè)置4種模式：

　　sO模式：只亮1個(gè)燈，從左端逐個(gè)移動(dòng)到右端，即輸出信號(hào)Q從第15位開(kāi)始將1個(gè)“1”依次移動(dòng)到第0位；

　　s1模式：只亮1個(gè)燈，從右端逐個(gè)移動(dòng)到左端，即輸出信號(hào)Q從第0位開(kāi)始將1個(gè)“1”依次移動(dòng)到第15位；

　　s2模式：亮2個(gè)燈，同時(shí)從左右兩端向中間移動(dòng)，即輸出信號(hào)Q從第15位開(kāi)始將1個(gè)“1”依次移動(dòng)到第8位，同時(shí)從第O位開(kāi)始將1個(gè)“1”依次移動(dòng)到第7位；

　　s3模式：亮2個(gè)燈，同時(shí)從中間向左右兩端移動(dòng)，即輸出信號(hào)Q從第8位開(kāi)始將1個(gè)“1”依次移動(dòng)到第15位，同時(shí)從第7位開(kāi)始將1個(gè)“1”依次移動(dòng)到第0位。

　　四種模式依次循環(huán)，若復(fù)位信號(hào)RST輸入為高電平，則循環(huán)中斷，輸出信號(hào)Q置零，彩燈全滅，RST恢復(fù)為低電平后，再次從sO模式開(kāi)始循環(huán)。

　　2 16路可調(diào)速彩燈控制器的實(shí)現(xiàn)

　　本文所設(shè)計(jì)的16路可調(diào)速彩燈控制器，其電路符號(hào)如圖2所示，其中clk為10 MHz時(shí)鐘信號(hào)輸入端，rst為復(fù)位控制端，spd為調(diào)速信號(hào)輸入端，q為彩燈控制信號(hào)輸出端。

　　本文所設(shè)計(jì)的16路可調(diào)速彩燈控制器的VHDL代碼如下所示：

　　值得注意的是，本文設(shè)計(jì)的16路可調(diào)速彩燈控制器使用了數(shù)據(jù)循環(huán)算法，較以往的case when語(yǔ)句，更加簡(jiǎn)潔，實(shí)現(xiàn)的功能更加強(qiáng)大，其具有如下特點(diǎn)：

　?。?）在硬件驗(yàn)證時(shí)，將速度控制端spd的pin腳接到撥碼開(kāi)關(guān)上，從而實(shí)現(xiàn)彩燈變換速度快慢的手動(dòng)控制，在更進(jìn)一步的設(shè)計(jì)中，也可以通過(guò)對(duì)spd信號(hào)的內(nèi)部控制，實(shí)現(xiàn)各種變換速度的自動(dòng)調(diào)整。

　?。?）該設(shè)計(jì)采用數(shù)據(jù)移位的方式實(shí)現(xiàn)彩燈的變換，更有利于彩燈變換模式的擴(kuò)展。該設(shè)計(jì)雖然只設(shè)計(jì)了4種變換模式，但可以根據(jù)需要輕松的擴(kuò)展至6～8種模式，甚至更多。

　?。?）8 Hz分頻部分的分頻比很大，不適于計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證，在仿真時(shí)需要調(diào)小分頻比，在硬件驗(yàn)證時(shí)再恢復(fù)較大的分頻比。

　　3 仿真結(jié)果分析

　　本文設(shè)計(jì)的16路可調(diào)速彩燈控制器在QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真波形如圖3所示。仿真結(jié)果分析如下：

　?。?）clk為時(shí)鐘信號(hào)，由時(shí)鐘信號(hào)的上升沿觸發(fā)分頻器計(jì)數(shù)；

　　（2）rst為復(fù)位信號(hào)輸入端，當(dāng)其為高電平時(shí)，彩燈控制輸出信號(hào)q清零，rst恢復(fù)為低電平后彩燈控制輸出信號(hào)q從sO模式重新開(kāi)始循環(huán)；

　?。?）spd為調(diào)速信號(hào)輸入端，對(duì)應(yīng)于spd的“00”，“01”，“10”，“11”這4個(gè)數(shù)值，彩燈變換的速度分別為1 Hz，2 Hz，4 Hz，8 Hz；

　?。?）q為彩燈控制信號(hào)輸出端，由圖3可知，該設(shè)計(jì)成功地實(shí)現(xiàn)了4種變換模式的循環(huán)和各種變換速度的調(diào)節(jié)。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)的16路可調(diào)速彩燈控制器在QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行了仿真驗(yàn)證后，到湖北眾友科技實(shí)業(yè)股份有限公司的ZYllEDAl3BE實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行了硬件驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)箱使用ACEXlK系列EPlK30QC208芯片作為芯片，實(shí)驗(yàn)證明設(shè)計(jì)正確，功能完整，運(yùn)行穩(wěn)定。另外，本文所設(shè)計(jì)的16路可調(diào)速彩燈控制器可根據(jù)需要增加更多的變換模式，使彩燈更加絢麗多姿。