北邮数电实验下LED点阵风扇的设计与实现.docx
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北邮数电实验下LED点阵风扇的设计与实现
数字电路与逻辑设计实验
实验报告
实验名称：
Ied点阵风扇的设计与实现
学院：
电子工程学院
专业：
电子科学与技术
班级:
班内序号:
学号：
姓名：
北京邮电大学
2015年11月9日
一、任务要求3...
1.基本要求：
3...
2.提高要求：
3...
二、系统设计3...
1.设计思路3...
2.总体框图4...
3.分块设计7...
三、仿真波形及波形分析8...
四、源程序（包括注释）1.2.
五、功能说明及资源利用情况2..3
1.功能说明2..3.
2.资源利用情况2..4.
六、故障及问题分析2..5.
七、总结和结论2..7.
1.总结2..7.
2.结论2..7.
1.基本要求：
（1）用8*8点阵模拟风扇转动，并采用双色点阵显示。
（2）风扇转动方式如图1所示，包括四个点阵显示状态并按顺序循环显示。
风扇转动速度根据环境温度分为4档，其中1档的四个显示状态之间的切换时间为2秒，2档为1秒，3档为0.5秒，4档为静止不动。
（3）环境温度通过2个BTN按键设置，一个用来增加，一个用来减少，
温度可设置范围为10C~40C,温度精度为1C,并用两个数码管进行温度显示。
风扇根据不同的温度自动采用不同的转动速度，其中20C~24C
对应1档，25C~29C对应2档，30C~40C对应3档，10C~19C对应4档，用一个数码管显示档位。
（4）定时模式：
在风扇不同转动速度下，可以通过按键切换进入定时模
式。
定时时间可设置范围为20~59秒，采用两个数码管进行倒计时，当倒计时结束后，风扇状态保持静止不动。
（5）设置开关键。
风扇开机初始状态为20C、1档，并有不小于5秒的开机音乐。
关机状态为点阵全灭。
OOO<0000OOo<0000000<0000OOO
∙000OOOO∙000ocoo∙ooo0000∙000
图1
2.提高要求:
（1）设计LED风扇的其他工作模式。
（2）利用实验板上的温度传感器代替按键直接获取温度数据，实现对LED
风扇四档转速的自动控制。
（3）用数码管实时显示温度传感器的温度数据，精度为0.1C。
（4）
自拟其他功能。
1.设计思路
在LED点阵风扇的设计与实现中，首先进行了分频器的设计：
由于所使用电路板的时钟频率为50MHz而需要使用的点阵、数码管扫描频率为1kHz，扇叶切换频率分别为2Hz、1Hz和0.5Hz,故首先将时钟频率进行四次分频。
然后是按键控制温度调节部分的实现，由于题中要求温度在10-40之间的两位数，所以在Vhdl的程序设计中将这两位数拆成两个四位的BCD码，并用temerature_h和temperature」来分别表示，每当需要温度增减时，通过控制这两个信号来实现温度的变化。
接着是倒计时部分：
同样是使用两个四位BCD码来表示,并且创建了一个标准信号来记录倒计时是否结束，以此来完成倒计时结束后风扇的停止转动。
以温度的输入来实现档位的选择，首先判断记录倒计时的信号值，若倒计时结束，则选择4档；否则，判断高位的温度值，当其为1、3、4时均有分别对应的档位，当起为2时再用对应的CASE语句来判断档位。
点阵显示部分：
根据档位的判断来选择合适的时钟控制风扇扇叶的旋转速度,用IkHz的时钟来对点阵的行进行扫描，低频时钟用来切换风扇扇叶的四个图形。
数码管显示：
6个数码管稳定显示需要至少300Hz频率的时钟，故用IkHz时钟来扫描数码管，温度的高低位数字、时间的高低位数字以及档位，都通过一个译码器来输出对应数码管显示数字的7位向量，使得当时钟扫描到某一个数码管时，可以正确地显示要表达的数字。
音乐播放：
使用蜂鸣器播放音乐同样也需要两个时钟来完成对应功能，一个时钟来完成节拍的表达，另一个时钟来输出乐音的音调，如C、DE、F
等，使得当节拍的时钟到来时能够输出对应简谱中的音调。
2.总体框图
3.
系统顶层框图
（1）
系统对外接口图
（2）逻辑划分框图
蜂鸣器
P14、p15
BTN^
BTNo
温度
控制
P5
（4）流程图
节拍、音调
分频p12、
时钟Clk
p13
IkHz
频器*
p1,p2,p3,p4
HZ
0.5Hz
开关Clr
temperature」
LI档位
—►
da
ng
P6
IemPeratUre_l
p10
Ir1
!
Iimeh
d倒
■
译
数码
计
码
I~k
管p9
时
►
器
:
ime_l
p8
Seg
p7
StaH
ten
时钟COUr
选择器*
点阵
p11
4.分块设计
pl:
将50MHZ勺时钟Clk分500000次频变为为IkHz的时钟clk_1kHz,来完成对点阵行row以及6个数码管Cat的扫描。
若CIr=‘0'即关机状态，则输出时钟及计数变量均置零；否则当时钟上升沿到来时，计数变量开始计数，时钟也开始输出。
p2:
将IkHz的cIk_1kHz分500次频，输出频率为2Hz的cIk_2Hz,来完成风扇3档转速的输出。
同样为使关机状态点阵全灭，需先判断Clr的值。
p3：
将cIk_2Hz二分频，输出频率为1Hz的cIk_1Hz,来完成风扇2档转速的输出。
p4:
将cIk_1Hz二分频，输出频率为0.5Hz的clk_half1Hz来完成风扇1档转速的输出。
p5:
为防止由于按键抖动带来的按键一次增加或减少温度过多，使用2Hz
的时钟来判断按键是否正在使用以实现按键的防抖。
同样，首先使用IF语句
要判断Clr的值，如果为0,则温度变为20C；否则当2Hz的时钟上升沿到来时，若同时表达温度上升的输入信号temp_UP为1,则接着判断其高位是否为0100。
若高位为0100则，温度输出值保持40C不变，不再累加；否则温度的个位增加1,当个位满足1010时，置零且十位增加1。
同理，当表达温度下降的输入信号temp_down为1时也如此判断，区别在于判断其最小值是否为10，并且相减时判断低位为1111时，则十位减一，个位置为0101。
这样的判断语句的设置，能够实现关机时数码管全灭，由按键来控制温度的增减，并且温度范围为10~40C的实验要求。
p6:
档位判断模块，当表达倒计时结束的信号count_end为1时，档位输出为0,其他的档位输入由一个嵌套的CASE语句来完成。
温度的十位数字为0001、0011、0100即1、3、4时，档位输出分别为00、11、11即4、3、3档，十位为其他数字即2时，再判断个位数字以此来实现输出1档和2档。
此模块可以实现由温度到档位的判断选择。
p7:
倒计时模块，直接置入一个倒计时数字30,Start变化时开始倒计时，
未完成实验20~59s可调节要求。
当CIr为0时即关机状态下，COunt_end置零，time_h和time_l为1111，不显示；若clr为1即开机状态下，start为1，则开始倒计时，倒计时算法与降低温度类似，但需区分出1s->0s时，
使COunt_end为1，标志倒计时结束，到达0s时需保持时间不变。
如果start为0，为开启倒计时状态，则将时间置为30。
p8:
译码器，由于数码管现实的档位、倒计时时间的高低位以及温度的高低位，均为4位BCe码，故需要将它们转换为能够在数码管上显示的对应数字，使用5个CASE语句来进行选择输出。
p9：
数码管扫描，首先判断开关机状态，若为开机则判断Start是否为1,Start为0时只显示档位和温度；Start为1时，全部显示。
然后将1kHz时钟6分频，每个时钟上升沿代表了扫描到一个Cat，若显示，则将其置为0其余为1，输出对应从译码器得到的7位编码。
p10：
使用CASE语句根据档位来选择输出时钟，dang为00时，输出时钟为0，扇叶静止；dang为01时，表示1档，输出时钟为CIk_haIf1Hz；dang为10时，表示2档，输出时钟为CIk_1Hz；dang为11时，表示3档，输出时钟为CIk_2Hz。
p11:
点阵显示模块，在开机状态下，使用1kHz时钟循环扫描点阵行，每扫描到某一行，点亮对应列的Ied灯，以此来实现在点阵上稳定显示某一图案。
于此同时，用档位决定的低频时钟来扫描4幅图案，每一图案对应着自己的行列编码，以此来用低频时钟控制扇叶扫描的速率。
p12:
节拍分频器，为得到24Hz的节拍频率，对时钟进行分频系数为2083332的分频，使得得到的节拍每记24个数约为1S。
p13:
依据输入的tone分频系数来对clk进行分频，以实现beep对不同音调的输出。
p14:
以tape的时钟为输入时钟，输出对应节拍上音乐的分频系数。
p15:
对beep输出音调的时钟频率，以实现音乐的输出。
三、仿真波形及波形分析
p1:
由于分频系数为50000过高，无法进行仿真。
p2:
由于分频系数为500过高，无法进行仿真。
p3:
2Hz->1Hz，Clr置零时无时钟输出，其他时刻对时钟进行二分频。
3IWiLlitιc∣r∣ff∣Ci⅛⅛:
Γι∣*ι∏e
图3
p5:
温度调节模块，temp_up为1时，temperature」在时钟上升沿到来时增加；temp_down为1时，temperature」在时钟上升沿到来时减少；CIr为0时，温度重新置为20。
图4
p6:
档位选择模块，当CoUnt_end为1时，dang输出为0即4档；当温度输入为10~40C以外的数值时，由于总体程序中已有限制，故未考虑该情况，输出档位均为1，其余情况下dang输出为1、2、3分别代表1档、2档、3档，仿真情况符合实验要求。
图5
p7:
开机时若Start为1,则开始倒计时；若Start为O则时间重新置为30,Start为1，则继续开始倒计时，符合实验要求。
图6p8：
4位BCD码与7位显示码之间对应正确。
图7
p9:
由于Seg不存在真实数值，无法仿真，故仅仿真数码管Cat的显示。
当Start为1时扫描5个数码管，当start为0时扫描3个数码管，符合设计思路。
图8
p10:
档位选择器，输出时钟无确切数值，故无法仿真。
p11：
点阵扫描与图案切换时钟频率相差过大，故无法进行仿真。
p12:
节拍分频器，分频系数过大，故无法仿真。
p13:
音调分频，分频系数过大，故无法仿真。
p14:
输出信号为整形数值，故无法仿真。
p15:
tone_clk无有效时钟数值，故无法进行仿真。
四、源程序（包括注释）
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYfanIS
PORT（
clk,clr:
INSTD_lOGIC;--clr==>SW0
temp_up,temp_down:
INSTD_LOGIC;--temp_up==>BTN1;temp_down==>BTN0;
start:
INSTD_LOGIC;--start==>SW7
seg:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;--控制数字显示
cat:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（5DOWNTO0）;--共阴极数码管
row:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
colr:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
colg:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
beep:
OUTSTD_LOGIC）;
ENDfan;
ARCHITECTUREdisplayOFfanIS分频1SIGNALclk_1kHz:
STD_LOGIC;
SIGNALclk_out1:
STD_LOGIC;
分频2
SIGNALclk_2Hz:
STD_LOGIC;
SIGNALclk_out2:
STD_LOGIC;
分频3
SIGNALclk_1Hz:
STD_LOGIC;
SIGNALclk_out3:
STD_LOGIC;
分频4
SIGNALclk_half1Hz:
STD_LOGIC;
SIGNALclk_out4:
STD_LOGIC;
温度输入调节
SIGNALtemperature_h:
STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
SIGNALtemperature_l:
STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;档位选择SIGNALcount_end:
STD_LOGIC;
SIGNALdang:
STD_LOGIC_VECTOR（1DOWNTO0）;倒计时
SIGNALtime_h:
STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
SIGNALtime_l:
STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;数码管显示SIGNALdang_seg:
STD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;
SIGNALtime_h_seg:
STD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;
SIGNALtime_l_seg:
STD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;
SIGNALtemperature_h_seg:
STD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;
SIGNALtemperature_l_seg:
STD_LOGIC_VECTOR（6DOWNTO0）;风扇转速时钟输出SIGNALclk_out:
STD_LOGIC;
点阵显示
SIGNALrow_temp,colr_temp,colg_temp:
STD_LOGIC_VECTOR（7DOWNTO0）;
节拍分频SIGNALtape_clk:
STD_LOGIC;
音调分频
SIGNALtone_tmp:
INTEGERRANGE0TO64000;
SIGNALtone_clk:
STD_LOGIC;
BEGIN
分频1:
将50MHz时钟频率分为1KHz
p1:
PROCESS（clk,clr）
VARIABLEtmp1:
INTEGERRANGE0TO24999;
BEGIN
IFclr='0'THENtmp1:
=0;clk_1kHz<='0';
ELSIFclk'EVENTANDclk='1'THEN
IFtmp1=24999THENtmp1:
=0;clk_out1<=NOTclk_out1;
ELSEtmp1:
=tmp1+1;
ENDIF;clk_1kHz<=clk_out1;
ENDIF;
ENDPROCESSp1;
分频2:
利用1kHz时钟分得2Hz时钟
p2:
PROCESS（clk_1kHz,clr）
VARIABLEtmp2:
INTEGERRANGE0TO249;
BEGIN
IFclr='0'THENtmp2:
=0;clk_2Hz<='0';
ELSIFclk_1kHZ'EVENTANDclk_1kHz='1'THEN
IFtmp2=249THENtmp2:
=0;clk_out2<=NOTclk_out2;
ELSEtmp2:
=tmp2+1;
ENDIF;clk_2Hz<=clk_out2;
ENDIF;
ENDPROCESSp2;
分频3:
利用2Hz时钟分得1Hz时钟
p3:
PROCESS（clk_2Hz,clr）
BEGIN
IFclr='0'THENclk_out3<='0';
ELSIFclk_2Hz'EVENTANDclk_2Hz='1'THENclk_out3<=NOTclk_out3;
ENDIF;
clk_1Hz<=clk_out3;
ENDPROCESSp3;
分频4：
利用1Hz时钟分得0.5Hz时钟
p4:
PROCESS（clk_1Hz,clr）
BEGIN
IFclr='0'THENclk_out4<='0';
ELSIFclk_1Hz'EVENTANDclk_1Hz='1'THENclk_out4<=NOTclk_out4;
ENDIF;clk_half1Hz<=clk_out4;
ENDPROCESSp4;温度输入调节
p5:
PROCESS（clk_2Hz,clr）
VARIABLEtemperature_h_temp,temperature_l_temp:
STD_LOGIC_VECTOR（3
DOWNTO0）;
BEGIN
IFclr='0'THENtemperature_h_temp:
="0010";temperature_l_temp:
="0000";
ELSIF（clk_2Hz'EVENTANDclk_2Hz='1'）THEN
IFtemp_up='1'THEN
IFtemperature_h_temp="0100"THENtemperature_h_temp:
="0100";temperature_l_temp:
="0000";
ELSEtemperature_l_temp:
=temperature_l_temp+"0001";
IFtemperature_l_temp="1010"THEN
temperature_l_temp:
="0000";temperature_h_temp:
=temperature_h_temp+"0001";
ENDIF;
ENDIF;
ENDIF;
IFtemp_down='1'THEN
IF（temperature_h_temp="0001"ANDtemperature_l_temp="0000"）THENtemperature_h_temp:
="0001";temperature_l_temp:
="0000";
ELSEtemperature_l_temp:
=temperature_l_temp-"0001";
IFtemperature_l_temp="1111"THEN
temperature_l_temp:
="1001";temperature_h_temp:
=temperature_h_temp-"0001";
ENDIF;
ENDIF;
ENDIF;
ENDIF;
temperature_h<=temperature_h_temp;
temperature_l<=temperature_l_temp;
ENDPROCESSp5;
档位选择p6:
PROCESS（clk_2Hz,count_end）
BEGIN
IFcount_end='1'THENdang<="00";
ELSE
CASEtemperature_hIS
WHEN"0001"=>dang<="00";--1-0
WHEN"0011"=>dang<="11";--3-3
WHEN"0100"=>dang<="11";--4-3
WHENOTHERS=>--2
CASEtemperature_lIS
WHEN"0000"=>dang<="01";--0-1
WHEN"0001"=>dang<="01";--1-1
WHEN"0010"=>dang<="01";--2-1
WHEN"0011"=>dang<="01";--3-1
WHEN"0100"=>dang<="01";--4-1
WHENOTHERS=>dang<="10";--5,6,7,8,9-2
ENDCASE;
ENDCASE;
ENDIF;
ENDPROCESSp6;
倒计时p7:
PROCESS（clk_1Hz,start,clr）
VARIABLEtime_h_temp,time_l_temp:
STD_LOGIC_VECTOR（3DOWNTO0）;
BEGIN
IFclr='0'THENcount_end<='0';time_h_temp:
="1111";time_l_temp:
="1111";
ELSE
IFclk_1Hz'EVENTANDclk_1Hz='1'THEN
IFstart='1'THEN
IF（time_h_temp="0000"ANDtime_l_temp="0001"）THENtime_h_temp:
="0000";time_l_temp:
="0000";count_end<='1';
ELSE
IF（time_h_temp="0000"ANDtime_l_temp="0000"）THENtime_h_temp:
="0000";time_l_temp:
="0000";
ELSE
IFtime_l_temp="0000"THENtime_l_temp:
="1001";time_h_temp:
=time_h_temp-"0001";
ELSEtime_l_temp:
=time_l_temp-"0001";
ENDIF;
ENDIF;
ENDIF;
ELSEtime_h_temp:
="0011";time_l_temp:
="0000";count_end<='0';
ENDIF;
ENDIF;
ENDIF;
time_l<=time_l_temp;time_h<=time_h_temp;ENDPROCESSp7;
译码器p8:
PROCESS（dang,time_h,time_l,temperature_h,temperature_l）
BEGIN
CASEdangIS
WHEN"00"=>dang_seg<="0110011";--num4
WHEN"01"=>dang_seg<="0110000";--num1
WHEN"10"=>dang_seg<="1101101";--num2
WHEN"11"=>dang_seg<="1111001";--num3
WHENOTHERS=>dang_seg<="0000000";
ENDCASE;
CASEtime_hIS
WHEN"0000"=>time_h_seg<="1111110";--0
WHEN"0001"=>time_h_seg<="0110000";--1
WHEN"0010"=>time_h_seg<="1101101";--2
WHEN"0011"=>time_h_seg<="1111001";--3
WHEN"0100"=
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