1、LED点灯实验报告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。2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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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：S1S0F3F2F1F0通过端口00X3X2X1X0W001X2X1X0X-1W110X1X0X-1X-2W211X0X-1X-2X
7、-3W3 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：X3X2X1X0X-1X-2X-3S1S0F3F2F1F0100111001001111100001100001110011
8、00111011010101001011011011010110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
9、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
10、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000010100111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
11、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：a0a1a2output00000011010101101001101011001111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
12、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，
13、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。3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
14、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。
