流水灯电路设计实验--VHDL

一、实验目的

（1）学习并掌握Quartus II的使用方法
（2）学习简单时序电路的设计和硬件测试。
（3）学习使用VHDL 语言方法进行逻辑设计输入
（4）学习设计一个流水灯电路，并在实验开发系统上熟悉运行输入及仿真步骤原理

二、实验仪器设备

（1） PC机一台。
（2）Quartus Ⅱ开发软件一套
（3）EDA实验开发系统一套(EP1C12Q240C8)

三、实验原理

FPGA 的所有I/O控制块都可以允许每个1/O引脚单独配置为输入口,不过这种配置是系统自动完成的，一旦该输入口被设置为输入口使用时,该I/O控制模块将直接使三态缓冲区的控制端接地，便得该IO 引脚对外呈高阻态,这样该I/O引脚即可用作专用输入引脚。只旦在KEY1-KEY8中有键输入,要正确地分配并锁定引脚后,在检测到键盘输入的情况下,继续判断其键盘值并作出相应的处理。

四、实验内容

（1）基于VHDL 语言设计可用于控制LED流水灯的简单逻辑电路,电路包含三个输入、八个输出。输入信号为清零信号端CLR、时钟信号CLK 和使能信号ENA,输出信号Y接八个发光二极管。当清零信号端CLR 为低时,系统清零,此时8个LED灯全灭。当 ENA输入信号为高电平，CLK的上升沿到来时，流水灯开始流动，流动顺D1→D2→D3→D4→D5→D6→D7→D8，然后再返回D1;当ENA输入信号为低电平时,流水灯暂停，保持在原有状态。
其对应关系见表如下

（2）在Quartus II上用V
HDL 文本方式设计该流水灯电路;对该设计进行编辑、编译、综合、适配、仿真。将经过仿真的设计下载到硬件实验箱进行验证。注意选择:输入信号线3根（ENA接按键1，clr接按键2和CLK 接CLK0）、输出线8根（接发光二极管指示灯);硬件测试时为便于观察,流水速率最好在4Hz左右，测试时根据输入信号的变化观察输出信号的改变。
流水灯控制电路仿真如图所示

实验引脚锁定:
八个按键:按键1～8分别对应FPGA上的引脚233,234,235,236,237,238,239,240。
八个发光二极管:发光.极管D1～D8分别对应 FPGA 上的引脚168~161。
时钟端口:CLKO对应28CLK2对应153，CLK5对应152，CLK90对应29。

五、实验步骤

（1）启动Quartus II建立一个空白工程,然后命名为 HIGHT8.qpf。
（2）新建VHDL 源程序文件HIGHT8.vhd,输入程序代码并保存，进行综合编译,若编译过程中发现错误，则找出并更正错误，直至编译成功为止。
（3）选择目标器件并对相应的引脚进行锁定,在这里所选择的器件为Altera公司 Cyclone系列的EPIC12Q240C8芯片。将未使用的管脚设置为三态输入。则找出并更正错误,
（4）对该工程文件进行全程编译处理，若在编译过程中发现错误直至编译成功为止。接到PC机的打印机并
（5）拿出 Altera Byte Blaster II下载电缆，并将此电缆的两端分别接到PC机的打印机并口和实验箱的JTAG下载口上，打开电源，执行下载命令，把程序下载到 FPGA器件中，观察发光管发光二极管LED1～LED8的亮灭状态。

六、实验扩展

在前面实验的基础上实现其他花样流水显示，控制8个 LED灯进行花样显示,设计3种
模式:
①从左到右逐个点亮LED;
实例代码：

LIBRARY IEEE;            --流水灯顶层文件
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY HIGHT8 IS                --顶层实体名称
PORT(                                   --定义端口数据CLK: IN STD_LOGIC;          --定义时钟信号输入端口CLR: IN STD_LOGIC;          --定义清零控制端输入端口ENA: IN STD_LOGIC;         --定义使能信号输入端口LED: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)       --定义LED灯输出端口);
END;ARCHITECTURE BEHAV OF HIGHT8 ISSIGNAL A:INTEGER RANGE 0 TO 7;SIGNAL B:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL C:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
BEGIN
P1:PROCESS(CLK,CLR,ENA)
BEGINIF CLR='0' THEN C<="00000000";ELSIF ENA='1'THEN IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN A<=A+1;END IF;END IF;
END PROCESS P1;
P2:PROCESS(A)
BEGIN
CASE A IS                               --8位信号LED灯输出控制WHEN 0=>B<="10000000";WHEN 1=>B<="01000000";WHEN 2=>B<="00100000";WHEN 3=>B<="00010000";WHEN 4=>B<="00001000";WHEN 5=>B<="00000100";WHEN 6=>B<="00000010";WHEN 7=>B<="00000001";
END CASE;
END PROCESS P2;
P3:PROCESS(ENA)
BEGIN IF CLR='1' AND ENA='0' THEN LED<=C;ELSE LED<=B;END IF;
END PROCESS P3;
END;

②从右到左逐个点亮LED;
示例代码：

LIBRARY IEEE;            --流水灯顶层文件
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY HIGHT8 IS                --顶层实体名称
PORT(                                   --定义端口数据CLK: IN STD_LOGIC;          --定义时钟信号输入端口CLR: IN STD_LOGIC;          --定义清零控制端输入端口ENA: IN STD_LOGIC;         --定义使能信号输入端口LED: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)       --定义LED灯输出端口);
END;ARCHITECTURE BEHAV OF HIGHT8 ISSIGNAL A:INTEGER RANGE 0 TO 7;SIGNAL B:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL C:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
BEGIN
P1:PROCESS(CLK,CLR,ENA)
BEGINIF CLR='0' THEN C<="00000000";ELSIF ENA='1'THEN IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN A<=A+1;END IF;END IF;
END PROCESS P1;
P2:PROCESS(A)
BEGIN
CASE A IS                               --LED灯输出控制WHEN 0=>B<="00000001";WHEN 1=>B<="00000010";WHEN 2=>B<="00000100";WHEN 3=>B<="00001000";WHEN 4=>B<="00010000";WHEN 5=>B<="00100000";WHEN 6=>B<="01000000";WHEN 7=>B<="10000000";
END CASE;
END PROCESS P2;
P3:PROCESS(ENA)
BEGIN IF CLR='1' AND ENA='0' THEN LED<=C;ELSE LED<=B;END IF;
END PROCESS P3;
END;

③从中间到两边逐个点亮LED,3种模式循环切换,由复位键控制系统的运行和停止。
示例代码：

LIBRARY IEEE;            --流水灯顶层文件
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY HIGHT8 IS                --顶层实体名称
PORT(                                   --定义端口数据CLK: IN STD_LOGIC;          --定义时钟信号输入端口CLR: IN STD_LOGIC;          --定义清零控制端输入端口ENA: IN STD_LOGIC;         --定义使能信号输入端口LED: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)       --定义LED灯输出端口);
END;ARCHITECTURE BEHAV OF HIGHT8 ISSIGNAL A:INTEGER RANGE 0 TO 7;SIGNAL B:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL C:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
BEGIN
P1:PROCESS(CLK,CLR,ENA)
BEGINIF CLR='0' THEN C<="00000000";ELSIF ENA='1'THEN IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN A<=A+1;END IF;END IF;
END PROCESS P1;
P2:PROCESS(A)
BEGIN
CASE A IS                               --LED灯输出控制WHEN 0=>B<="00011000";WHEN 1=>B<="00100100";WHEN 2=>B<="01000010";WHEN 3=>B<="10000001";WHEN 4=>B<="10000001";WHEN 5=>B<="01000010";WHEN 6=>B<="00100100";WHEN 7=>B<="00011000";END CASE;
END PROCESS P2;
P3:PROCESS(ENA)
BEGIN IF CLR='1' AND ENA='0' THEN LED<=C;ELSE LED<=B;END IF;
END PROCESS P3;
END;

合并代码段：
实现：
①从左到右逐个点亮LED;
②从右到左逐个点亮LED;
③从中间到两边逐个点亮LED,3种模式循环切换,由复位键控制系统的运行和停止。

LIBRARY IEEE;            --流水灯顶层文件
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
ENTITY HIGHT8 IS                --顶层实体名称
PORT(                                   --定义端口数据CLK: IN STD_LOGIC;          --定义时钟信号输入端口CLR: IN STD_LOGIC;          --定义清零控制端输入端口ENA: IN STD_LOGIC;         --定义使能信号输入端口LED: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)       --定义LED灯输出端口);
END;ARCHITECTURE BEHAV OF HIGHT8 ISSIGNAL A:INTEGER RANGE 0 TO 23;SIGNAL B:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL C:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);
BEGIN
P1:PROCESS(CLK,CLR,ENA)
BEGINIF CLR='0' THEN C<="00000000";ELSIF ENA='1'THEN IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN A<=A+1;END IF;END IF;
END PROCESS P1;
P2:PROCESS(A)
BEGIN
CASE A IS                               --8位信号LED灯输出控制WHEN 0=>B<="10000000";WHEN 1=>B<="01000000";WHEN 2=>B<="00100000";WHEN 3=>B<="00010000";WHEN 4=>B<="00001000";WHEN 5=>B<="00000100";WHEN 6=>B<="00000010";WHEN 7=>B<="00000001";WHEN 8=>B<="00000001";WHEN 9=>B<="00000010";WHEN 10=>B<="00000100";WHEN 11=>B<="00001000";WHEN 12=>B<="00010000";WHEN 13=>B<="00100000";WHEN 14=>B<="01000000";WHEN 15=>B<="10000000";WHEN 16=>B<="00011000";WHEN 17=>B<="00100100";WHEN 18=>B<="01000010";WHEN 19=>B<="10000001";WHEN 20=>B<="10000001";WHEN 21=>B<="01000010";WHEN 22=>B<="00100100";WHEN 23=>B<="00011000";END CASE;
END PROCESS P2;
P3:PROCESS(ENA)
BEGIN IF CLR='1' AND ENA='0' THEN LED<=C;ELSE LED<=B;END IF;
END PROCESS P3;
END;

七、实验要求

（1）选择实验电路模式5
（2）设计仿真文件，进行软件验证
（3）用VHDL程序设计方法实现流水灯设计
（4）通过下载线下载到实验系统上进行硬件测试验证

工程源代码下载：流水灯电路设计源代码–VHDL