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彩燈作為一種景觀，安裝在建筑物的適當地方一是作為裝飾增添節日氣氛，二是有一種廣告宣傳的作用，也可用在舞臺上增強晚會燈光效果。實現彩燈控制的方案很多，不同的控制方案，其設計方法和思路也不一樣。本文介紹一種彩燈控制器的設計方法。該系統基于可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）芯片，利用VHDL硬件描述語言設計系統核心部件，再配以適當的外圍電路構成。輸出為32路數字信號，控制32路彩燈輸出，上電后，彩燈系統無需外加輸入信號，能自動循環演示十六種花型，彩燈明暗變換節拍為0.25秒和0.5秒，快慢兩種節拍自動交替運行。該系統較以前的傳統設計，選用硬件電路簡單、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間后，不修改硬件電路的基礎上，僅通過更改軟件就可實現修改花型的編程控制方案。
1、 系統組成
該彩燈控制器系統組成框圖如圖1所示。系統工作原理：彩燈控制器是以高、低電平控制燈的亮滅，按節拍改變送給各路的高、低電平，即l、0編碼，就可控制彩燈按預定的規律亮滅，從而顯示花型。彩燈控制器包括下列幾部分。振蕩器：提供系統工作的主時鐘。節拍產生器：產生系統要求的快、慢節拍脈沖PH、PL，并根據系統運行情況，提供相應節拍，使彩燈明暗變換以快、慢兩種節拍自動交替運行。地址碼產生器：為編碼發生器提供合適的地址碼，以保證按節拍讀出規定的編碼，復現預定的花型，并根據系統運行情況，送節拍產生器反饋信號，控制節拍按快慢兩種自動交替運行。編碼發生器：根據花型要求按節拍輸出32位狀態編碼信號，以控制彩燈按規律亮滅。緩沖驅動器：為彩燈提供需要的工作電壓和電流，隔離負載對系統工作的影響。
２、系統各單元設計
2.1 振蕩器
振蕩器提供系統工作的主時鐘。因彩燈控制器對定時要求不高，故選用簡單易行的555定時振蕩器。系統彩燈明暗變換節拍為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“節拍產生器”的輸入端。
2.2節拍產生器
其作用產生系統要求的快、慢節拍脈沖，快節拍PH=0.25秒、慢節拍PL= 0.5秒。快節拍頻率直接由振蕩器的頻率傳入，慢節拍頻率將振蕩器輸出的頻率進行二分頻得到。節拍選擇信號Pc由地址碼產生器產生，若第一輪花型循環輸出為慢節拍，Pc為低電平，則第二輪花型循環，Pc為高電平，第三輪花型循環，Pc又為低電平，如此反復。節拍產生器輸出節拍脈沖PP由PL和PH合成，
。輸出節拍頻率PP送地址碼產生器。
該模塊VHDL程序如下（略去聲明部分）：
ENTITY jpxz IS --節拍產生器
PORT （ clk： IN STD_LOGIC; --傳入振蕩器頻率
Pc ： IN STD_LOGIC; --節拍選擇信號
PP ： out STD_LOGIC）;--輸出節拍頻率
end;
ARCHITECTURE jiep OF jpxz IS
signal PPL： STD_LOGIC;
signal PH： STD_LOGIC;--快節拍信號
signal PL： STD_LOGIC;--慢節拍信號
begin
fenp： process（clk） -- 將clk時鐘二分頻，得到節拍為0.5秒的慢節拍
BEGIN
IF clk‘EVENT AND clk = ’1‘
THEN PPL 《= NOT PPL;
END IF;
END PROCESS;
PH 《= clk;-- 快節拍的頻率等于振蕩器輸出的頻率
PL 《= PPL; -- 慢節拍
pp 《= （not Pc and PL） or （Pc and PH）;
-- PP為輸出節拍信號，Pc為高電平輸出快節拍，Pc為低電平輸出慢節拍
end;
2.3 地址碼產生器
其作用一是為編碼發生器提供合適的地址碼，二是為節拍產生器提供節拍控制信號。
該部分主要電路，一部分為地址計數器，利用進程p01： process（ppclk）根據節拍產生器提供的節拍頻率PP產生地址碼，完成地址累加，實現預定花型的循環顯示，同時利用jiep信號記錄系統運行情況，該32路彩燈控制器演示花型共16種，花型循環一周共243拍，地址計數器將地址碼累加到244，jiep值為‘1’，地址碼為其它值時，jiep值為‘0’；另一部分內容為利用進程P02:process（ jiep ）將jiep信號進行二分頻，使輸出花型在第一輪循環時， 節拍選擇信號Pc為低電平，則第二輪花型循環時，Pc為高電平，第三輪花型循環，Pc又為低電平，如此反復。該模塊VHDL程序如下（略去聲明部分）：
ENTITY cai_lizi IS --地址碼產生器;
PORT （ ppclk： IN STD_LOGIC； --節拍脈沖信號，由節拍產生器傳入
dzout ： out integer range 0 to 245；-- 地址碼輸出，16種花型運行一次共243拍
Pc： out STD_LOGIC）；--節拍選擇信號，送節拍產生器
end;
ARCHITECTURE lizi OF cai_lizi IS
signal count： integer range 0 to 245;
signal jiep： STD_LOGIC;
begin
p01： process（ppclk） --產生地址碼
begin
if count=244 then count 《= 0; jiep 《= ’1‘; --16種花型運行一次共243拍
elsif rising_edge（ppclk） then count 《= count + 1; jiep 《= ’0‘;
end if;
end process;
P02:process（ jiep ） --將jiep信號進行二分頻，產生節拍選擇信號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 編碼發生器
地址碼產生器將輸出的地址碼送入編碼發生器，編碼發生器根據高、低電平控制燈的亮滅，即l、0編碼，依據花型要求按節拍輸出32位狀態編碼信號，以控制彩燈按規律亮滅。
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;-- 由地址碼產生器傳入地址碼
qout ： OUT STD_LOGIC_VECTOR（31 DOWNTO 0））;-- 輸出32位狀態編碼
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模塊為節拍產生器，輸入端CLK接振蕩器的輸出時鐘，頻率為4Hz，Pc為節拍選擇信號，PP為輸出節拍。CAI_LIZI模塊為地址碼產生器，CAI_BMQ模塊為編碼發生器，輸出端QOUT［31..0］ 輸出32位狀態編碼信號， 接緩沖驅動電路。
2.6 緩沖驅動電路
該模塊為彩燈提供需要的工作電壓和電流，隔離負載對系統工作的影響。首先根據每路彩燈的功率選擇繼電器或雙向可控硅，再根據繼電器或雙向可控硅所需驅動電壓和電流設計驅動電路。詳細設計此處不再介紹。
3、系統仿真測試與實物測試
在基于MAX+PLUSⅡ軟件平臺，對該系統程序各模塊進行仿真測試，圖4所示為彩燈控制器頂層文件仿真波形圖。
圖中CLK為振蕩器產生系統的主時鐘，周期為0.25秒，qout［31..0］為彩燈控制器輸出的32路數字控制信號（32位狀態編碼），圖中所示當系統以慢節拍（0.5秒，2個周期一拍）輸出最后一組編碼后，馬上以快節拍（0.25秒，1個周期一拍）開始下一輪花型循環，達到設計要求。
將該系統程序下載到MAX7000S系列的EPM7128SLC84-15目標芯片上，并配以外圍電路進行實物測試（ 以LED燈代替彩燈），滿足到設計要求。
4、結束語
本文作者創新點：以VHDL 硬件描述語言進行設計，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，大大簡化了外部電路，較以前的傳統設計，既減少了所用芯片的種類和數量，縮小了體積，降低了功耗，提高了系統的整體性能，對系統在使用中的故障率大為減少。特別是，對花型設計方案的修改、增加花型數量都很方便，可以在不修改硬件電路的基礎上，僅通過更改軟件就可實現，具有廣闊的應用前景。
責任編輯：gt
工商網監
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