基于可编程逻辑器件CPLD芯片和VHDL语言实现彩灯控制器系统的设计.docx

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1、基于可编程逻辑器件CP1D芯片和VHD1语言实现彩灯控制器系统的设计彩灯作为一种景观，安装在建筑物的适当地方一是作为装饰增添节日气氛，二是有一种广告宣传的作用，也可用在舞台上增强晚会灯光效果。实现彩灯控制的方案很多，不同的控制方案，其设计方法和思路也不一样。本文介绍一种彩灯控制器的设计方法。该系统基于可编程逻辑器件CP1D(Comp1exProgrammab1e1ogiCDevice)芯片,利用VHD1硬件描述语言设计系统核心部件，施以适当的外围电路构Q出为32路薮至号,控制32路彩灯输出，上电后，彩灯系统无需外加输入信号,能自动循环演示十六种花型，彩灯明暗变换节拍为0.25秒和0.5秒，快慢

2、两种节拍自动交替运行。该系统较以前的传统设计，选用硬件电路简单、花型容量大，体积小，功耗低，可靠性高，特别是可以在使用一段时间后，不修改硬件电路的基础上，仅通过更改软件就可实现修改花型的编程控制方案。1、系统组成该彩灯控制器系统组成框图如图1所示。系统工作原理:彩灯控制器是以高、低电平控制灯的亮灭，按节拍改变送给各路的高、低电平，即1、0编码，就可控制彩灯按预定的规律亮灭，从而显示花型。彩灯控制器包括下列几部分。振荡器:提供系统工作的主时钟。节拍产生器：产生系统要求的快、慢节拍脉冲PH、P1,并根据系统运行情况，提供相应节拍，使彩灯明暗变换以快、慢两种节拍自动交替运行。地址码产生器：为编码发生

3、器提供合适的地址码，以保证按节拍读出规定的编码，复现预定的花型，并根据系统运行情况，送节拍产生器反馈信号，控制节拍按快慢两种自动交替运行。编码发生器：根据花型要求按节拍输出32位状态编码信号，以控制彩灯按规律亮灭。缓冲驱动器:为彩灯提供需要的工作电压和曳流，隔离负载对系统工作的影响。荡节拍产生湍地址码声黯编码发管缓冲驱动电路图1系统结构和图2、系统各单元设计2.1振荡器振荡器提供系统工作的主时钟。因彩灯控制器对定时要求不高，故选用简单易行的555定时振荡器。系统彩灯明暗变换节拍为0.25秒和0.5秒，我们使振荡器振荡频率为f=4Hz,电路原理图如图2所示。图中电阻R1=8K,Rw=4.7K,R

4、2=47K,电容C1=3.3uF,振荡频率输出端OUT送“节拍产生器”的输入端。2.2节拍产生器其作用产生系统要求的快、慢节拍脉冲，快节拍PH=O.25秒、慢节拍P1=0.5秒。快节拍频率直接由振荡器的频率传入，慢节拍频率将振荡器输出的频率进行二分频得到。节拍选择信号PC由地址码产生器产生，若第一轮花型循环输出为慢节拍，Pc为低电平，则第二轮花型循环，PC为高电平，第三轮花型循环，PC又为低电平，如此反复。节拍产生器输出节拍脉冲PP由P1和PH合成，P=五凡+PcPbo输出节拍频率PP送地址码产生器。该模块VHD1程序如下（略去声明部分）：ENTITYjpxzIS一节拍产生器PORT（e1k：

5、INSTD_1OGIC;一传入振荡器频率Pc：INSTD_1OGIC;一节拍选择信号PP：outSTD_1OGIC）;一输出节拍频率end;ARCHITECTUREjiepOFjpxzISsigna1PP1：STD_1OGIC;signa1PH：STD1OGIC;一快节拍信号signa1P1：STD_1OGIC;一慢节拍信号beginfenp：process(e1k)一将e1k时钟二分频,得到节拍为0.5秒的慢节拍BEGINIFe1kEVENTANDCIk=1THENPP1=NOTPP1;ENDIF;ENDPROCESS;PH二e1k;一快节拍的频率等于振荡器输出的频率P1二PP1;慢节拍PP

6、二(notPcandP1)or(PcandPH);PP为输出节拍信号，PC为高电平输出快节拍，PC为低电平输出慢节拍end;2.3地址码产生器其作用一是为编码发生器提供合适的地址码，二是为节拍产生器提供节拍控制信号。该部分主要电路，一部分为地址计数器，利用进程pO1：process(PPC1k)根据节拍产生器提供的节拍频率PP产生地址码，完成地址累加，实现预定花型的循环显示，同时利用jiep信号记录系统运行情况，该32路彩灯控制器演示花型共16种，花型循环一周共243拍，地址计数器将地址码累加到244,jiep值为T,地址码为其它值时，jiep值为0；另一部分内容为利用进程P02:PrOCeS

7、S(jiep)将jiep信号进行二分频，使输出花型在第一轮循环时，节拍选择信号PC为低电平，则第二轮花型循环时，PC为高电平，第三轮花型循环，Pc又为低电平，如此反复。该模块VHD1程序如下(略去声明部分)：ENTITYcai_1iziIS一地址码产生器；PORT(ppc1k：INSTD_1OGIC；一节拍脉冲信号，由节拍产生器传入dzout：outintegerrange0to245；一地址码输出，16种花型运行一次共243拍Pc：outSTD1OGIC)；一节拍选择信号，送节拍产生器end;ARCHITECTUREIiziOFcai_1iziISsigna1count：integerran

8、ge0to245;signa1jiep：STD_1OGIC;beginpO1：process(ppc1k)产生地址码beginifcount=244thencount=0;jiep=1;一16种花型运行一次共243拍e1sifrising_edge(ppc1k)thencount二count+1;jiep二0；endif;endprocess;P02:process(jiep)一将jiep信号进行二分频，产生节拍选择信号PC值VARIAB1ECount2：STD_1OGIC;BEGINIFjiep,EVENTANDjiep=iVTHENCount2：=NOTCount2;ENDIF;IFCou

9、nt2=1THENPc二1;E1SEPC二O;ENDIF;ENDPROCESS;dzout二count;end;2. 4编码发生器地址码产生器将输出的地址码送入编码发生器，编码发生器根据高、低电平控制灯的亮灭，即1、O编码，依据花型要求按节拍输出32位状态编码信号，以控制彩灯按规律亮灭。该模块VHD1程序如下(略去声明部分)：ENTITYcai_bmqISPORT(dzout：INintegerrange0to245;一由地址码产生器传入地址码qout：OUTSTD1OGIC_VECTOR(31DOWNTO0)输出32位状态编码END;ARCHITECTUREbianmaOFcai_bmqIS

10、beginprocess(dzout)begincasedzoutiswhen0二qout二a10000000000000000000000000000000”；when1二qout二a11000000000000000000000000000000”；when2二qout=iIiooooooooooooooooooooooooooooo,；when241=；qout二aIooiooiooiooiooiooiooiooiooiooiowwhen242=；qout二0100100100100100100100100100100,when243=)qout二00100100100100100100

11、100100100100whenothers=qout=10010010010010010010010010010010w;endcase;endprocess;end;2.5 在CP1D芯片中顶层文件的原理图，如图3所示。图中JPXZ模块为节拍产生器，输入端C1K接振荡器的输出时钟，频率为4Hz,PC为节拍选择信号，PP为输出节拍。CA11IZ1模块为地址码产生器，CAI_BMQ模块为编码发生器，输出端QOUT31.0输出32位状态编码信号,接凌冲驱动电路。图3CP1D芯片中顶层文件的原用图2.6 缓冲驱动电路该模块为彩灯提供需要的工作电压和电流，隔离负载对系统工作的影响。首先根据每路彩灯的

12、功率选择继电器或双向亘控硅，再根据继电器或双向可控硅所需驱动电压和电流设计驱动电路。详细设计此处不再介绍。3、系统仿真测试与实物测试在基于MAX+P1USH软件平台，对该系统程序各模块进行仿真测试，图4所示为彩灯控制器顶层文件仿真波形图。Name:_Vaiua:121.2s1214s121.6s121s1220s11I4rIeout510|Xcoio.ooo!ooococ3)XTJ,-图I彩灯控制物顶层文件仿真波形图图中C1K为振荡器产生系统的主时钟，周期为0.25秒，qout31.01为彩灯控制器输出的32路数字控制信号（32位状态编码），图中所示当系统以慢节拍（0.5秒，2个周期一拍）输出

13、最后一组编码后，马上以快节拍（0.25秒，1个周期一拍）开始下一轮花型循环，达到设计要求。将该系统程序下载到MAX700OS系列的EPM7128S1C84-15目标芯片上，并配以外围电路进行实物测试（以皿灯代替彩灯），满足到设计要求。4、结束语本文作者创新点：以VHD1硬件描述语言进行设计，将彩灯控制器的核心部分集成在可编程逻辑器件CP1D芯片上，大大简化了外部电路，较以前的传统设计，既减少了所用芯片的种类和数量，缩小了体积，降低了功耗，提高了系统的整体性能，对系统在使用中的故障率大为减少。特别是，对花型设计方案的修改、增加花型数量都很方便，可以在不修改硬件电路的基础上，仅通过更改软件就可实现，具有广阔的应用前景。责任gt