基于VHDL的16路可调速彩灯控制器设计

0 引言
    近年来，FPGA／CPLD发展迅速，随着集成电路制造工艺的不断进步，高性价比的FPGA／CPLD器件推陈出新，使FPGA／CPLD成为当今硬件设计的重要途径，与传统电路设计方法相比，FPGA／CPLD具有功能强大、开发周期短、投资少，便于追踪市场变化及时修改产品设计以及开发工具智能化等特点。在诸多FPGA／CPLD的设计语言中，VHDL语言作为一种主流的硬件描述语言，具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性，并在语言易读性和层次化、结构化设计方面，表现出了强大的生命力和应用潜力。
    QuartusⅡ是Altera公司在21世纪初推出的FPGA／CPLD集成开发环境，是Altera公司前一代FPGA／CPLD集成开发环境Max+PlusⅡ的更新换代产品，其界面友好，使用便捷，功能强大，为设计者提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便的进行设计输入、快速处理和器件编程。
    本文在QuartusⅡ开发环境下，用VHDL语言设计了一种可用于控制16路彩灯，具有4种彩灯变换模式，且变换速度可调的彩灯控制器。

1 16路可调速彩灯控制嚣设计思路
    16路可调逮彩灯控制器根据功能可分为3个部分，如图1所示。其中，8 Hz分频部分用于对频率为10 MHz的时钟信号进行分频，获得频率为8 Hz的时钟信号CLK8。CLK8作为速度控制部分的基准时钟，通过计数分频方式又可获得频率分别为4 Hz，2 Hz和1 Hz的时钟信号，然后由调速信号选择其中之一作为彩灯时钟信号CLKQ，CLKQ即为彩灯控制部分的基准时钟，用于决定彩灯变换的速度，由此实现调速信号SPD对彩灯变换速度的控制，使彩灯可调速。

    彩灯控制部分通过输出1个16位二进制数(即彩灯输出信号Q)来控制16个彩灯，每一位二进制数对应1个彩灯的开关，当该位数字为“1”时灯亮，该位数字为“O”时灯灭。彩灯的变换共设置4种模式：
    sO模式：只亮1个灯，从最左端逐个移动到最右端，即输出信号Q从第15位开始将1个“1”依次移动到第0位；
    s1模式：只亮1个灯，从最右端逐个移动到最左端，即输出信号Q从第0位开始将1个“1”依次移动到第15位；
    s2模式：亮2个灯，同时从左右两端向中间移动，即输出信号Q从第15位开始将1个“1”依次移动到第8位，同时从第O位开始将1个“1”依次移动到第7位；
    s3模式：亮2个灯，同时从中间向左右两端移动，即输出信号Q从第8位开始将1个“1”依次移动到第15位，同时从第7位开始将1个“1”依次移动到第0位。
    四种模式依次循环，若复位信号RST输入为高电平，则循环中断，输出信号Q置零，彩灯全灭，RST恢复为低电平后，再次从sO模式开始循环。

2 16路可调速彩灯控制器的实现
    本文所设计的16路可调速彩灯控制器，其电路符号如图2所示，其中clk为10 MHz时钟信号输入端，rst为复位控制端，spd为调速信号输入端，q为彩灯控制信号输出端。

    本文所设计的16路可调速彩灯控制器的VHDL代码如下所示：
   
   
   
    值得注意的是，本文设计的16路可调速彩灯控制器使用了数据循环算法，较以往的case when语句，更加简洁，实现的功能更加强大，其具有如下特点：
    (1)在硬件验证时，将速度控制端spd的pin脚接到拨码开关上，从而实现彩灯变换速度快慢的手动控制，在更进一步的设计中，也可以通过对spd信号的内部控制，实现各种变换速度的自动调整。
    (2)该设计采用数据移位的方式实现彩灯的变换，更有利于彩灯变换模式的扩展。该设计虽然只设计了4种变换模式，但可以根据需要轻松的扩展至6～8种模式，甚至更多。
    (3)8 Hz分频部分的分频比很大，不适于计算机仿真验证，在仿真时需要调小分频比，在硬件验证时再恢复较大的分频比。

3 仿真结果分析
    本文设计的16路可调速彩灯控制器在QuartusⅡ开发环境下进行了仿真验证，仿真波形如图3所示。仿真结果分析如下：

    (1)clk为时钟信号，由时钟信号的上升沿触发分频器计数；
    (2)rst为复位信号输入端，当其为高电平时，彩灯控制输出信号q清零，rst恢复为低电平后彩灯控制输出信号q从sO模式重新开始循环；
    (3)spd为调速信号输入端，对应于spd的“00”，“01”，“10”，“11”这4个数值，彩灯变换的速度分别为1 Hz，2 Hz，4 Hz，8 Hz；
    (4)q为彩灯控制信号输出端，由图3可知，该设计成功地实现了4种变换模式的循环和各种变换速度的调节。

4 结语
    设计的16路可调速彩灯控制器在QuartusⅡ开发环境下进行了仿真验证后，下载到湖北众友科技实业股份有限公司的ZYllEDAl3BE实验箱中进行了硬件验证，该实验箱使用ACEXlK系列EPlK30QC208芯片作为核心芯片，实验证明设计正确，功能完整，运行稳定。另外，本文所设计的16路可调速彩灯控制器可根据需要增加更多的变换模式，使彩灯更加绚丽多姿。