【学习笔记】数电实验——发光二极管走马灯电路的设计与实现

2020-5-16
使用软件为quartusII 9.1，芯片为EPM1270T144C5
一、实验任务要求
设计并实现一个控制16个发光二极管亮灭的电路，仿真验证其功能。实现功能如下：
（1）单点移动模式：从左到右依次循环点亮16个发光二极管，每个发光二极管的点亮时间为0.5s；
（2）幕布式：从中间两个发光二极管开始点亮，向两边每次增加点亮2个发光二极管，直至点亮16个发光二极管；然后再从两边开始每次灭掉2个发光二极管，直至所有发光二极管灭掉，依次往复，每个状态持续时间为0.5s；
（3）两个模式可用按键进行切换。
二、VHDL代码
分频器：

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
--div50
ENTITY div50 isport(clk1: IN STD_LOGIC;clkout: OUT STD_LOGIC);
END div50;ARCHITECTURE div50_arch of div50 is
signal count: integer range 0 to 49;
beginprocess(clk1)beginif(clk1'event and clk1 = '1') thenif(count = 49) thencount <= 0;elsecount <= count + 1;end if;if count <= 24 thenclkout <= '0';elseclkout <= '1';end if;end if;end process;
END div50_arch;

防抖电路：

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
--anti-shake
ENTITY anti_shake_key isport(clk2: IN STD_LOGIC;reset: IN STD_LOGIC;resetn: OUT STD_LOGIC);
END anti_shake_key;ARCHITECTURE key_arch of anti_shake_key is
signal resetmp1,resetmp2:
STD_LOGIC;
beginprocess(clk2)beginif(clk2'event and clk2 = '0') thenresetmp2 <= resetmp1;resetmp1 <= reset;end if;end process;
resetn <= clk2 AND resetmp1 AND (NOT resetmp2);
END key_arch;

控制器：

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
--colorlamp
ENTITY colorlamp isport(clk3: IN STD_LOGIC;key_in: IN STD_LOGIC;reset: IN STD_LOGIC;led: OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
END colorlamp;ARCHITECTURE colorlamp_arch of colorlamp is
type all_state is(s0,s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8,s9,s10,s11,s12,s13,s14,s15);
signal cnt: STD_LOGIC :='0';
signal state:all_state;
beginprocess(key_in,reset)     --01count--to change modesbeginif(key_in'event and key_in = '1') thencnt <= cnt XOR '1';end if;if(reset = '1')thencnt <= '0';                       --resetend if;end process;process(clk3,reset)beginif(clk3'event and clk3 = '1')thenif(cnt = '0') thencase state iswhen s0=>state<=s1;led <= "1000000000000000";when s1=>state<=s2;led <= "0100000000000000";when s2=>state<=s3;led <= "0010000000000000";when s3=>state<=s4;led <= "0001000000000000";when s4=>state<=s5;led <= "0000100000000000";when s5=>state<=s6;led <= "0000010000000000";when s6=>state<=s7;led <= "0000001000000000";when s7=>state<=s8;led <= "0000000100000000";when s8=>state<=s9;led <= "0000000010000000";when s9=>state<=s10;led <= "0000000001000000";when s10=>state<=s11;led <= "0000000000100000";when s11=>state<=s12;led <= "0000000000010000";when s12=>state<=s13;led <= "0000000000001000";when s13=>state<=s14;led <= "0000000000000100";when s14=>state<=s15;led <= "0000000000000010";when  others => state<=s0;led <= "0000000000000001";end case;end if;if(cnt = '1')thencase state iswhen s0=>state<=s1;led <= "0000000110000000";when s1=>state<=s2;led <= "0000001111000000";when s2=>state<=s3;led <= "0000011111100000";when s3=>state<=s4;led <= "0000111111110000";when s4=>state<=s5;led <= "0001111111111000";when s5=>state<=s6;led <= "0011111111111100";when s6=>state<=s7;led <= "0111111111111110";when s7=>state<=s8;led <= "1111111111111111";when s8=>state<=s9;led <= "0111111111111110";when s9=>state<=s10;led <= "0011111111111100";when s10=>state<=s11;led <= "0001111111111000";when s11=>state<=s12;led <= "0000111111110000";when s12=>state<=s13;led <= "0000011111100000";when s13=>state<=s14;led <= "0000001111000000";when s14=>state<=s15;led <= "0000000110000000";when s15=>state<=s0;led <= "0000000000000000";end case;end if;end if;if(reset = '1')thenstate <= s0;                --resetend if;end process;
END colorlamp_arch;

连接电路：

LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
--connection
ENTITY lamp_player isport(ain:IN STD_LOGIC;reset:IN STD_LOGIC;key:IN STD_LOGIC;bout:OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0));
END lamp_player;ARCHITECTURE player_arch of lamp_player is
COMPONENT div50port(clk1:IN STD_LOGIC;clkout:OUT STD_LOGIC);
END COMPONENT;COMPONENT anti_shake_keyport(clk2:IN STD_LOGIC;reset:IN STD_LOGIC;resetn:OUT STD_LOGIC);
END COMPONENT;COMPONENT colorlampport(clk3:IN STD_LOGIC;key_in:IN STD_LOGIC;reset:IN STD_LOGIC;led:OUT STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0));
END COMPONENT;SIGNAL c0,c1:STD_LOGIC;
beginu1:div50 PORT MAP(clk1=>ain,clkout=>c0);u2:anti_shake_key PORT MAP(clk2=>ain,reset=>key,resetn=>c1);u3:colorlamp PORT MAP(clk3=>c0,key_in=>c1,reset=>reset,led(15 downto 0)=>bout(15 downto 0));
END;

三、仿真波形及分析：
（1）分频器

由图可见该部分为分频系数为50的分频器，输入信号的频率为100Hz，则分频后的信号的频率为2Hz周期为0.5s。

（2）防抖电路

输出信号resetn = clk and resetmp1 and（not resetmp2），该电路部分采用时钟信号下降沿触发，以reset信号第一次发生“抖动”为例：在第一个时钟（clk2）信号下降沿，resetmp2得到resetmp1的值为低电平“0”，resetmp1得到此时reset的值为高电平“1”，且由于边沿触发，两个信号直至第二个时钟信号下降沿到达前一直保持该值（稳定）。在第二个时钟下降沿时，resetmp2得到resetmp1的值为高电平“1”，resetmp1为时钟下降沿时刻的reset值，保持高电平“1”输出，直至第三个时钟信号下降沿到来，reset信号为低电平，resetmp1变为低电平，resetmp2在第四个时钟下降沿被赋予此刻resetmp1的值变为低电平。resetmp2由resetmp1开始变化前的值赋予，因此总是比resetmp1要“延迟”一个时钟信号，且resetmp1和resetmp2在高电平有效时间内稳定，则resetn经过resetmp1和resetmp2的处理相较于reset初始信号变得更稳定，消除了可能发生的抖动。由于在第一个被检测到的reset信号进来时，resetmp1立刻变为高电平，resetmp2慢一个时钟信号变为高电平，正好“错峰”，在resetn = clk and resetmp1 and（not resetmp2）的逻辑下得到一个稳定的按键信号。

图形可见当输入信号reset在发生“抖动”时，信号resetn稳定输出，实现了按键消抖。

（3）控制器
整体图形：
在按键之前，发光二极管从左（led15）到右（led0）依次闪烁，循环点亮，实现单点移动要求；按键产生一个脉冲信号，切换模式，从中间两个发光二极管开始点亮，向两边每次点亮两个发光二极管直至全部点亮，再从两边开始每次熄灭两个二极管，实现幕布式点亮和熄灭，如下图所示：

再次按按键，则又变回单点移动模式：

reset信号高电平有效，实现信号复位，当reset信号为1时进行复位操作，变回单点移动模式，如下图所示：

（4）完整电路仿真波形
整体图形：

在按下按键之前按照单点移动模式运行，发光二极管自左（bout15）向右（bout0）循环依次点亮，第一次按下按键后产生脉冲信号，转换模式，变为幕布式亮灭灯，第二次按下按键重新切换为单点移动模式，第三次按下按钮变为幕布式亮灭灯，注意到在这之后有一个reset高电平信号，电路复位，变为初始状态，发光二极管重新变为单点移动模式，且从最左端（bout15）开始向右“移动”。

放大仿真波形，可见输入信号ain的频率为100Hz，分频器对其进行分频，得到频率为2Hz周期为0.5s的周期信号，如下图，一个发光二极管的发光时间为0.5s，满足设计要求：

四、故障分析
在设计控制器的时候cnt对按键产生的脉冲信号进行模值为2的计数，以更方便地实现灯亮模式的转换，但是最初用的是电平触发，导致仿真波形发生多次翻转，而后改进为边沿（上升沿）触发解决问题。

五、总结和结论
本次实验进一步提升了VHDL的编程能力和图形的仿真分析能力，学会了一个较为完整的电路设计，同时实践了机械按键的消抖，对按键消抖有了更深刻的认识。

============
更新：发现自己的防抖处理好像把问题复杂化了，还有一种防抖的方式是设定一个计数器，若按键按下的持续时间未达到设定值，则认为按键无效（持续时间太短，认为是按键抖动或者其他原因造成的误差），只有在按下的持续时间超过一定值才认为是有效地按下按钮。

process(clk_1ms)//该部分与上面的报告无关，只是补充一个防抖的写法
//时间可自己设置
variable num: integer range 0 to 100 := 0;
begin
if(clk_1ms'event and clk_1ms = '1')thenif(btn = '1')thenif(num = 99)thennum := 99;elsenum := num + 1;end if;if(num > 30)thenbtn_out <= '1';//设置防抖后的有效输出elsebtn_out <= '0';end if;elsenum := 0;btn <= '0';end if;
end if;
end process;

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