基于VHDL的16路可調速彩燈控制器設計

0 引言
近年來，FPGA／CPLD發展迅速，隨著集成電路制造工藝的不斷進步，高性價比的FPGA／CPLD器件推陳出新，使FPGA／CPLD成為當今硬件設計的重要途徑，與傳統電路設計方法相比，FPGA／CPLD具有功能強大、開發周期短、投資少，便于追蹤市場變化及時修改產品設計以及開發工具智能化等特點。在諸多FPGA／CPLD的設計語言中，VHDL語言作為一種主流的硬件描述語言，具有很強的電路描述和建模能力，能從多個層次對數字系統進行建模和描述，從而大大簡化了硬件設計任務，提高了設計效率和可靠性，并在語言易讀性和層次化、結構化設計方面，表現出了強大的生命力和應用潛力。
QuartusⅡ是Altera公司在21世紀初推出的FPGA／CPLD集成開發環境，是Altera公司前一代FPGA／CPLD集成開發環境Max+PlusⅡ的更新換代產品，其界面友好，使用便捷，功能強大，為設計者提供了一種與結構無關的設計環境，使設計者能方便的進行設計輸入、快速處理和器件編程。
本文在QuartusⅡ開發環境下，用VHDL語言設計了一種可用于控制16路彩燈，具有4種彩燈變換模式，且變換速度可調的彩燈控制器。

1 16路可調速彩燈控制囂設計思路
16路可調逮彩燈控制器根據功能可分為3個部分，如圖1所示。其中，8 Hz分頻部分用于對頻率為10 MHz的時鐘信號進行分頻，獲得頻率為8 Hz的時鐘信號CLK8。CLK8作為速度控制部分的基準時鐘，通過計數分頻方式又可獲得頻率分別為4 Hz，2 Hz和1 Hz的時鐘信號，然后由調速信號選擇其中之一作為彩燈時鐘信號CLKQ，CLKQ即為彩燈控制部分的基準時鐘，用于決定彩燈變換的速度，由此實現調速信號SPD對彩燈變換速度的控制，使彩燈可調速。

彩燈控制部分通過輸出1個16位二進制數(即彩燈輸出信號Q)來控制16個彩燈，每一位二進制數對應1個彩燈的開關，當該位數字為“1”時燈亮，該位數字為“O”時燈滅。彩燈的變換共設置4種模式：
sO模式：只亮1個燈，從最左端逐個移動到最右端，即輸出信號Q從第15位開始將1個“1”依次移動到第0位；
s1模式：只亮1個燈，從最右端逐個移動到最左端，即輸出信號Q從第0位開始將1個“1”依次移動到第15位；
s2模式：亮2個燈，同時從左右兩端向中間移動，即輸出信號Q從第15位開始將1個“1”依次移動到第8位，同時從第O位開始將1個“1”依次移動到第7位；
s3模式：亮2個燈，同時從中間向左右兩端移動，即輸出信號Q從第8位開始將1個“1”依次移動到第15位，同時從第7位開始將1個“1”依次移動到第0位。
四種模式依次循環，若復位信號RST輸入為高電平，則循環中斷，輸出信號Q置零，彩燈全滅，RST恢復為低電平后，再次從sO模式開始循環。

2 16路可調速彩燈控制器的實現
本文所設計的16路可調速彩燈控制器，其電路符號如圖2所示，其中clk為10 MHz時鐘信號輸入端，rst為復位控制端，spd為調速信號輸入端，q為彩燈控制信號輸出端。