基于状态机的8路彩灯VHDL设计

2011-02-19樊辉娜

制造业自动化 2011年2期

关键词：状态机花型彩灯

樊辉娜

FAN Hui-na

（江西机电职业技术学院电气工程系，南昌 330013）

0 引言

EDA简介

EDA（即电子设计自动化）技术是以微电子加工技术为基础，以计算机为工作平台，以FPGA/CPLD器件为载体，将应用电子技术、计算机技术、智能化技术溶为一体以实现IC设计、电子线路设计及PCB设计。可以想象没有EDA技术，要想完成超大规模的集成电路设计是不可能的。

状态机的概念

当前以VHDL语言为工具、逻辑器件为载体的系统设计越来越广泛。在设计中，状态机是最典型、应用最广泛的电路模块，其在运行速度的高效、执行时间的确定性和高可靠性方面都显现出强大的优势。状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调相关信号动作，完成特定操作的控制中心。状态机可以分为Moore型和Mealy型两种基本类型。设计时采用哪种方式的状态机要根据设计的具体情况决定，输出只由当前状态值决定则选用Moore型，输入信号和状态值共同决定输出则选用Mealy状态机。

层次原理图设计方法

自顶而下（TOPTODOWN）的层次化设计方法在现代EDA设计中有着明显的优势，越来越受到设计者的欢迎。对于一个复杂的设计系统，运用层次化设计方法，使设计课题进一步细化，分块设计，条理清晰。另外，在调试时可采用逆向调试方式，即从模块调试向总体调试方向开展调试工作，使设计中出现的问题在模块级就能发现，及时处理，这样就会使一个复杂的设计变得容易调试，缩短了设计时间。

1 基于状态机的8路彩灯VHDL设计

在我们的生活中，电子彩灯已成为我们装点生活常用的电器，电子彩灯控制电路的设计要求也越来越高。要求我们设计的彩灯花样品种更多，控制更加方便，灵活性高，可靠性高。采用传统数字电路设计的彩灯控制器电路复杂、设计周期长、精度不高。基于FPGA的电子彩灯设计，设计灵活，功能完善。

1）设计要求：设计一个8路彩灯，具体要求有：

（1）要求电路能循环显示六种不同的花型（可定为 0000000、0000001、0000010、0000100、0001000、0010000）。

（2）具有对彩灯显示调速的功能，设计一个按钮，输入高电平时变化快，输入低电平时变化慢。

（3）具有手动输入功能，通过一个切换按钮，可以实现手动输入变化花型。

2）设计思路：

采用层次设计法，顶层采用原理图设计，底层采用VHDL设计。以下是它的方框图。底层分为三个子电路模块，分别是循环彩灯控制（COLOR8a）子电路模块、）二选一数选器（my_ mux21b）、调速（my_clk4）子电路模块。

图1 8路彩灯的总体框图

（1）循环彩灯控制（COLOR8a）子电路模块是8路彩灯电路的核心部分。它主控着8路彩灯的花型种类。循环彩灯控制（COLOR8a）子电路模块主要采用状态机来实现，用状态机来设计灵活性很强。按设计要求要实现六种花型0000000、0000001、0000010、0000100、0001000、0010000，用S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6来表示7种循环的状态。我们可以做状态图如图2所示。

图2 彩灯循环状态图

用状态机设计语句type states来实现，参考程序如下。循环彩灯控制模块程序：

在QUARTERII软件上进行波形仿真，如图3所示：

图3 彩灯循环模块仿真图

（2）调速（my_clk4）子电路模块。按照设计要求，彩灯循环速度可调。采用分频电路来实现，我们设定时钟CLK为1S，采用分频电路实现4分频电路，输出0.25S时钟，实现两种花型循环速度可调。（程序略）在QUARTERII软件上进行波形仿真，如图4所示：

图4 四分频模块仿真图

（3）二选一数选器（my_mux21b），用于实现对两种时钟的选择，和分频电路一起实现调速。（程序略）其仿真电路图如图5所示。

图5 二选一电路模块仿真图

（4）二选一数器实现手动输入花型的控制

（5）对四子模块VHDL设计电路进行打包分别生成元件（SYMBOL），如下图6所示。

图6 电子电路元件符号

（6）用原理图法实现顶层文件的设计。如图7所示。

2 设计拓展

采用模块化设计方法，每个模块功能明确，也便于实现对设计要求的更改。比如我们可以通过更改循环彩灯控制（COLOR8a）模块来改变8路采灯的花型，我们可以设定循环状态为S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7……S20二十种状态来实现二十种花型变化。比如我们可以修改分频电路的程序来改变输出频率，以实现不同的花型变化速度等。