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彩燈作為一種景觀，安裝在建筑物的適當(dāng)?shù)胤揭皇亲鳛檠b飾增添節(jié)日氣氛，二是有一種廣告宣傳的作用，也可用在舞臺(tái)上增強(qiáng)晚會(huì)燈光效果。實(shí)現(xiàn)彩燈控制的方案很多，不同的控制方案，其設(shè)計(jì)方法和思路也不一樣。本文介紹一種彩燈控制器的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)基于可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）芯片，利用VHDL硬件描述語言設(shè)計(jì)系統(tǒng)核心部件，再配以適當(dāng)?shù)耐鈬娐窐?gòu)成。輸出為32路數(shù)字信號(hào)，控制32路彩燈輸出，上電后，彩燈系統(tǒng)無需外加輸入信號(hào)，能自動(dòng)循環(huán)演示十六種花型，彩燈明暗變換節(jié)拍為0.25秒和0.5秒，快慢兩種節(jié)拍自動(dòng)交替運(yùn)行。該系統(tǒng)較以前的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，選用硬件電路簡(jiǎn)單、花型容量大，體積小，功耗低，可靠性高，特別是可以在使用一段時(shí)間后，不修改硬件電路的基礎(chǔ)上，僅通過更改軟件就可實(shí)現(xiàn)修改花型的編程控制方案。
1、 系統(tǒng)組成
該彩燈控制器系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)工作原理：彩燈控制器是以高、低電平控制燈的亮滅，按節(jié)拍改變送給各路的高、低電平，即l、0編碼，就可控制彩燈按預(yù)定的規(guī)律亮滅，從而顯示花型。彩燈控制器包括下列幾部分。振蕩器：提供系統(tǒng)工作的主時(shí)鐘。節(jié)拍產(chǎn)生器：產(chǎn)生系統(tǒng)要求的快、慢節(jié)拍脈沖PH、PL，并根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，提供相應(yīng)節(jié)拍，使彩燈明暗變換以快、慢兩種節(jié)拍自動(dòng)交替運(yùn)行。地址碼產(chǎn)生器：為編碼發(fā)生器提供合適的地址碼，以保證按節(jié)拍讀出規(guī)定的編碼，復(fù)現(xiàn)預(yù)定的花型，并根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，送節(jié)拍產(chǎn)生器反饋信號(hào)，控制節(jié)拍按快慢兩種自動(dòng)交替運(yùn)行。編碼發(fā)生器：根據(jù)花型要求按節(jié)拍輸出32位狀態(tài)編碼信號(hào)，以控制彩燈按規(guī)律亮滅。緩沖驅(qū)動(dòng)器：為彩燈提供需要的工作電壓和電流，隔離負(fù)載對(duì)系統(tǒng)工作的影響。
２、系統(tǒng)各單元設(shè)計(jì)
2.1 振蕩器
振蕩器提供系統(tǒng)工作的主時(shí)鐘。因彩燈控制器對(duì)定時(shí)要求不高，故選用簡(jiǎn)單易行的555定時(shí)振蕩器。系統(tǒng)彩燈明暗變換節(jié)拍為0.25秒和0.5秒，我們使振蕩器振蕩頻率為f = 4Hz，電路原理圖如圖2所示。圖中電阻R1=8K，Rw=4.7K， R2=47K，電容C1=3.3 uF，振蕩頻率輸出端OUT送“節(jié)拍產(chǎn)生器”的輸入端。
2.2節(jié)拍產(chǎn)生器
其作用產(chǎn)生系統(tǒng)要求的快、慢節(jié)拍脈沖，快節(jié)拍PH=0.25秒、慢節(jié)拍PL= 0.5秒。快節(jié)拍頻率直接由振蕩器的頻率傳入，慢節(jié)拍頻率將振蕩器輸出的頻率進(jìn)行二分頻得到。節(jié)拍選擇信號(hào)Pc由地址碼產(chǎn)生器產(chǎn)生，若第一輪花型循環(huán)輸出為慢節(jié)拍，Pc為低電平，則第二輪花型循環(huán)，Pc為高電平，第三輪花型循環(huán)，Pc又為低電平，如此反復(fù)。節(jié)拍產(chǎn)生器輸出節(jié)拍脈沖PP由PL和PH合成，
。輸出節(jié)拍頻率PP送地址碼產(chǎn)生器。
該模塊VHDL程序如下（略去聲明部分）：
ENTITY jpxz IS --節(jié)拍產(chǎn)生器
PORT （ clk： IN STD_LOGIC; --傳入振蕩器頻率
Pc ： IN STD_LOGIC; --節(jié)拍選擇信號(hào)
PP ： out STD_LOGIC）;--輸出節(jié)拍頻率
end;
ARCHITECTURE jiep OF jpxz IS
signal PPL： STD_LOGIC;
signal PH： STD_LOGIC;--快節(jié)拍信號(hào)
signal PL： STD_LOGIC;--慢節(jié)拍信號(hào)
begin
fenp： process（clk） -- 將clk時(shí)鐘二分頻，得到節(jié)拍為0.5秒的慢節(jié)拍
BEGIN
IF clk‘EVENT AND clk = ’1‘
THEN PPL 《= NOT PPL;
END IF;
END PROCESS;
PH 《= clk;-- 快節(jié)拍的頻率等于振蕩器輸出的頻率
PL 《= PPL; -- 慢節(jié)拍
pp 《= （not Pc and PL） or （Pc and PH）;
-- PP為輸出節(jié)拍信號(hào)，Pc為高電平輸出快節(jié)拍，Pc為低電平輸出慢節(jié)拍
end;
2.3 地址碼產(chǎn)生器
其作用一是為編碼發(fā)生器提供合適的地址碼，二是為節(jié)拍產(chǎn)生器提供節(jié)拍控制信號(hào)。
該部分主要電路，一部分為地址計(jì)數(shù)器，利用進(jìn)程p01： process（ppclk）根據(jù)節(jié)拍產(chǎn)生器提供的節(jié)拍頻率PP產(chǎn)生地址碼，完成地址累加，實(shí)現(xiàn)預(yù)定花型的循環(huán)顯示，同時(shí)利用jiep信號(hào)記錄系統(tǒng)運(yùn)行情況，該32路彩燈控制器演示花型共16種，花型循環(huán)一周共243拍，地址計(jì)數(shù)器將地址碼累加到244，jiep值為‘1’，地址碼為其它值時(shí)，jiep值為‘0’；另一部分內(nèi)容為利用進(jìn)程P02:process（ jiep ）將jiep信號(hào)進(jìn)行二分頻，使輸出花型在第一輪循環(huán)時(shí)， 節(jié)拍選擇信號(hào)Pc為低電平，則第二輪花型循環(huán)時(shí)，Pc為高電平，第三輪花型循環(huán)，Pc又為低電平，如此反復(fù)。該模塊VHDL程序如下（略去聲明部分）：
ENTITY cai_lizi IS --地址碼產(chǎn)生器;
PORT （ ppclk： IN STD_LOGIC； --節(jié)拍脈沖信號(hào)，由節(jié)拍產(chǎn)生器傳入
dzout ： out integer range 0 to 245；-- 地址碼輸出，16種花型運(yùn)行一次共243拍
Pc： out STD_LOGIC）；--節(jié)拍選擇信號(hào)，送節(jié)拍產(chǎn)生器
end;
ARCHITECTURE lizi OF cai_lizi IS
signal count： integer range 0 to 245;
signal jiep： STD_LOGIC;
begin
p01： process（ppclk） --產(chǎn)生地址碼
begin
if count=244 then count 《= 0; jiep 《= ’1‘; --16種花型運(yùn)行一次共243拍
elsif rising_edge（ppclk） then count 《= count + 1; jiep 《= ’0‘;
end if;
end process;
P02:process（ jiep ） --將jiep信號(hào)進(jìn)行二分頻，產(chǎn)生節(jié)拍選擇信號(hào)Pc值
VARIABLE Count2 ： STD_LOGIC;
BEGIN
IF jiep’EVENT AND jiep = ‘1’
THEN Count2 ：= NOT Count2;
END IF;
IF Count2 = ‘1’ THEN Pc 《= ‘1’;
ELSE PC 《= ‘0’;
END IF;
END PROCESS;
dzout 《= count;
end;
2.4 編碼發(fā)生器
地址碼產(chǎn)生器將輸出的地址碼送入編碼發(fā)生器，編碼發(fā)生器根據(jù)高、低電平控制燈的亮滅，即l、0編碼，依據(jù)花型要求按節(jié)拍輸出32位狀態(tài)編碼信號(hào)，以控制彩燈按規(guī)律亮滅。
該模塊VHDL程序如下（略去聲明部分）：
ENTITY cai_bmq IS
PORT （ dzout： IN integer range 0 to 245;-- 由地址碼產(chǎn)生器傳入地址碼
qout ： OUT STD_LOGIC_VECTOR（31 DOWNTO 0））;-- 輸出32位狀態(tài)編碼
END;
ARCHITECTURE bianma OF cai_bmq IS
begin
process（dzout）
begin
case dzout is
when 0 =》 qout 《= “10000000000000000000000000000000”;
when 1 =》 qout 《= “11000000000000000000000000000000”;
when 2 =》 qout 《= “11100000000000000000000000000000”;
……
when 241 =》 qout 《= “10010010010010010010010010010010”;
when 242 =》 qout 《= “01001001001001001001001001001001”;
when 243 =》 qout 《= “00100100100100100100100100100100”;
when others =》 qout 《= “10010010010010010010010010010010”;
end case;
end process;
end;
2.5 在CPLD芯片中頂層文件的原理圖，如圖3所示。
圖中JPXZ模塊為節(jié)拍產(chǎn)生器，輸入端CLK接振蕩器的輸出時(shí)鐘，頻率為4Hz，Pc為節(jié)拍選擇信號(hào)，PP為輸出節(jié)拍。CAI_LIZI模塊為地址碼產(chǎn)生器，CAI_BMQ模塊為編碼發(fā)生器，輸出端QOUT［31..0］ 輸出32位狀態(tài)編碼信號(hào)， 接緩沖驅(qū)動(dòng)電路。
2.6 緩沖驅(qū)動(dòng)電路
該模塊為彩燈提供需要的工作電壓和電流，隔離負(fù)載對(duì)系統(tǒng)工作的影響。首先根據(jù)每路彩燈的功率選擇繼電器或雙向可控硅，再根據(jù)繼電器或雙向可控硅所需驅(qū)動(dòng)電壓和電流設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。詳細(xì)設(shè)計(jì)此處不再介紹。
3、系統(tǒng)仿真測(cè)試與實(shí)物測(cè)試
在基于MAX+PLUSⅡ軟件平臺(tái)，對(duì)該系統(tǒng)程序各模塊進(jìn)行仿真測(cè)試，圖4所示為彩燈控制器頂層文件仿真波形圖。
圖中CLK為振蕩器產(chǎn)生系統(tǒng)的主時(shí)鐘，周期為0.25秒，qout［31..0］為彩燈控制器輸出的32路數(shù)字控制信號(hào)（32位狀態(tài)編碼），圖中所示當(dāng)系統(tǒng)以慢節(jié)拍（0.5秒，2個(gè)周期一拍）輸出最后一組編碼后，馬上以快節(jié)拍（0.25秒，1個(gè)周期一拍）開始下一輪花型循環(huán)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
將該系統(tǒng)程序下載到MAX7000S系列的EPM7128SLC84-15目標(biāo)芯片上，并配以外圍電路進(jìn)行實(shí)物測(cè)試（ 以LED燈代替彩燈），滿足到設(shè)計(jì)要求。
4、結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：以VHDL 硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，將彩燈控制器的核心部分集成在可編程邏輯器件CPLD芯片上，大大簡(jiǎn)化了外部電路，較以前的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，既減少了所用芯片的種類和數(shù)量，縮小了體積，降低了功耗，提高了系統(tǒng)的整體性能，對(duì)系統(tǒng)在使用中的故障率大為減少。特別是，對(duì)花型設(shè)計(jì)方案的修改、增加花型數(shù)量都很方便，可以在不修改硬件電路的基礎(chǔ)上，僅通過更改軟件就可實(shí)現(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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