LED点灯实验报告.docx

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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verilogHDL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：

运用verilogHDL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：

S1

S0

F3

F2

F1

F0

通过端口

0

0

X3

X2

X1

X0

W0

0

1

X2

X1

X0

X-1

W1

1

0

X1

X0

X-1

X-2

W2

1

1

X0

X-1

X-2

X-3

W3

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：

X3

X2

X1

X0

X-1

X-2

X-3

S1

S0

F3

F2

F1

F0

1

0

0

1

1

1

0

0

1

0

0

1

1

1

1

1

0

0

0

0

1

1

0

0

0

0

1

1

1

0

0

1

1

0

0

1

1

1

0

1

1

0

1

0

1

0

1

0

0

1

0

1

1

0

1

1

0

1

1

0

1

0

1

1

0

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

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

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：

a0

a1

a2

output

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

1

0

0

1

1

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

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，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。