毕业论文--基于FPGA的可遥控智能彩灯控制器设计与实现Word下载.docx

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指导教师：

导师职称：

讲师

完成日期：

2014年4月28日

DalianNeusoftUniversityofInformation

大连东软信息学院毕业设计（论文）

摘要

基于FPGA的可遥控智能彩灯控制器

设计与实现

摘 要

电子设计自动化（EDA，ElectronicDesignAutomation）技术的应用引起电子产品及系统开发的革命性变革，本系统实现以Verilog-HDL为基础的十六路彩灯控制系统。

当外面是白天的时候，灯全部熄灭；

当黑夜降临，十六路发光二极管（LED，LightEmittingDiode）灯全亮，等待花色选择。

同时也可以选择彩灯花色变化的频率，十六路彩灯共有七种不同花色选择。

本次设计采用了自顶向下的设计方法，即从系统总体要求出发，自上至下地将设计任务分解为不同的功能模块，最后将各功能模块连接形成顶层模块，完成系统硬件的整体设计。

现场可编程门阵列（FPGA，FieldProgrammableGataArray）具有集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便、可以实现芯片的动态重构等特点，因此可以快速地完成复杂的数字系统。

本文介绍了基于EDA技术的多路彩灯控制器的设计与分析。

在Quartus II环境下采用Verilog语言实现，论述了基于Verilog语言和FPGA芯片的数字系统设计思想和实现过程。

在具体实现上，设计模块包括：

时序控制分模块，显示控制模块，发射接收模块，光线感知模块四部分组成。

最后在ModelSim中完成了功能仿真。

本项目的实施，不仅要求学生数字系统设计流程的合理性，而且要求用电阻晶体管逻辑

（RTL，ResistorTransistorLogic）级Verilog描述数字电路以及EDA开发工具的熟练使用。

关键词：

Verilog，彩灯，控制，仿真

II

Abstract

DesignandIplementationofRemoteIntelligentLightsControllerBasedonFPGA

ElectronicDesignAutomation（EDA,ElectronicDesignAutomation）technologyapplicationcausetherevolutionarychangeofElectronicproductsandsystemsdevelopment,thesystemimplementationbasedonVerilogHDL-tenalllightscontrolsystem.Whenthedayisoutside,lightsallout,whennightcame,tenallledlightsalllight,waitingfordesignandcolorchoice.Atthesametime,alsocanchoosedesignandcoloroflightschangefrequency,tenalllightsatotalofsevendifferentcolorstochoose.Thedesignhasadoptedthetop-downdesignmethod,namelyfromtheoverallsystemrequirements,fromtoptobottomofthedesigntaskdecompositionintothedifferentfunctionmodule,finallyeachfunctionmoduleisconnectedtoformthetopmodule,theoveralldesignofsystemhardware.

FieldProgrammablegateArray（FPGA,FieldProgrammableGataArray）withhighintegration,goodgenerality,flexibledesign,programming,convenient,canrealizethedynamicreconfigurationofchipsandothercharacteristics,soyoucanquicklycompletethecomplexdigitalsystem.

ThispaperintroducesthedesignandanalysisofmultiplelightscontrollerbasedontheEDAtechnique.IntheQuartusIIenvironmentusingVeriloglanguage,discussesthedigitalsystemdesignideaofVeriloglanguageandtheFPGAchipandtheimplementationprocessbasedon.Ontheconcreterealization,Designmodulesinclude:

Sequentialcontrolmodule,displaycontrolmodule,launchreceivingmodule,lightperceptionmodulefourparts.FinallycompletefunctionalsimulationinModelSim.Theimplementationofthisproject,notonlyrequeststhestudenttotherationalityofthedigitalsystemdesignprocess,andaskedtouseresistanceTransistorLogic（RTL,ResistorTransistorLogic）levelVerilogdigitalcircuitandskilleduseofEDAtools.

Keywords:

Verilog,Lantern,Control,Simulation

目录

目 录

IV

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪 论 1

1.1课题研究背景与意义 1

1.2课题研究内容与方法 2

第2章 关键技术介绍 3

2.1VERILOGHDL 3

2.2自上而下设计 4

2.3有限状态机 5

第3章 系统需求分析 8

3.1系统设计目标 8

3.2系统功能需求 8

3.3系统非功能需求 8

3.4系统开发环境 8

3.4.1硬件环境 8

3.4.2软件环境 9

3.5系统可行性分析 11

3.6外围电路分析 12

3.6.1控制电路 12

3.6.2显示电路 12

3.6.3系统流程图 12

第4章 系统设计 14

4.1系统设计指导原则 14

4.2.1数据通道模块设计 16

4.2.2控制单元模块设计 17

第5章 系统实现 19

5.1控制单元的部分实现 19

5.2数据通道中的部分实现 20

第6章 系统测试 21

6.1控制单元仿真 21

6.2数据通道仿真 21

6.3分频模块仿真 21

6.4显示模块仿真 22

6.5系统整体仿真 22

第7章 结 论 23

致 谢 25

第1章 绪 论

1.1课题研究背景与意义

科学技术的无限发展，人民生活水平的不断提高，都使得彩灯装饰在现代生活中

变为一种可增强人们的美感饰具，同时也可作为广告宣传，不仅增添节日的气氛，也为着人们的生活增添亮丽。

电子技术的持续发展，使应用系统向着小型化、快速化、大容量、重量轻等方向发展，EDA技术的多方面应用也引起了电子产品、系统开发的变革。

EDA代表了，当今电子设计技术的最新发展方向，其根本特征是设计人员，以计算机作为载体工具，按top-to-down的设计理念，对整个系统进行方案性的设计以及功能划分，使用硬件描述语言来完成系统行为级的设计，使用比较先进性的开发工具自动的完成逻辑的编译，化简，分割，综合，优化，布局布线，仿真和具有特定目标芯片的适配编译、编程下载，以这种理念来设计高层次数字逻辑电路。

作为现代的电子系统设计主导的技术，EDA技术具有两个明显特征：

即并行工程设计和自顶向下设计。

其基本的思想是从系统总体设计出发，分为行为描述、寄存器传输级描述、逻辑综合三个层次，将设计的内容逐步细化，最后完成整体的设计，这是一种全新设计思想和设计理念。

VerilogHDL硬件描述语言，是一种以文本形式，来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以用来表示数字逻辑系统将完成的逻辑功能。

诞生于20世纪80年代中期，是由GatewayDesignAutomation（该公司于1989年被Cadence公司收购）公司开发的一种快速设计电路工具，目前已经成为

IEEE的一种工业性的标准硬件描述语言。

相比传统电路系统的设计方法，Verilog拥有多层次的描述系统硬件功能的能力，支持自顶向下设计的特点，因此设计者不必了解硬件结构。

直接从系统设计入手，在顶层进行系统设置，方框图的划分及结构设计，在方框图的一级用Verilog对电路行为加以描述，并作仿真和纠错工作；

然后，在系统的一级作验证，最后在使用逻辑综合优化工具，以产生具体的门级的逻辑电路网表，再将网表下载到具体复杂可编程逻辑器件（CPLD，Complex Programmable LogicDevice）器件中去，最终实现可编程的专用集成电路的设计。

用Verilog语言去完成数字逻辑电路和数字系统设计，是电子电路设计方法上一个突破性的变革。

与传统方法相比，Verilog描述电路行为具有很多种优点：

-22-

1、设计层次比较高，当用于较复杂的计算时，可以尽早的发现已经存在的问题，缩短设计的周期；

2、可以独立实现，修改方便，系统硬件的描述能力强；

3、可读性好，便于交流，适合文档保存；

4、Verilog语言标准、规范以及移植性强。

本设计所研究的基于FPGA的，可遥控智能彩灯控制器设计与实现，也是基于上述的背景，通过本次的设计加深了对FPGA技术原理的理解与应用；

掌握了数字电路前端设计的基本流程：

模块划分、模块功能设计、模块功能仿真、综合和验证；

同时，对彩灯控制器的设计方法进行探讨。

1.2课题研究内容与方法

本论文按照数字电路前端的设计流程，完成了基于FPGA的，可遥控智能彩灯控