摘要：本文设计并试验了一种基于数字电路的彩灯控制器，该设计采用6进制计数器和译码器，实现彩灯按照杨辉三角规律依次点亮/熄灭，通过Verilog硬件描述语言进行层次化设计，并在实验箱中进行仿真验证，实验结果表明，该控制器能够准确、稳定地控制彩灯按预定规律变化，本文的研究不仅巩固了组合逻辑电路设计的基本方法，还提升了对时序电路设计和Verilog HDL应用的理解。

Abstract: This article designs and tests a color light controller based on digital circuits. The design uses a base-6 counter and decoder to achieve the sequential turning on/off of color lights according to Pascal's Triangle rules. The hierarchical design was carried out using the Verilog hardware description language, and simulation verification was performed in the experiment box. The experimental results show that the controller can accurately and stably control the color light to change according to the predetermine rule. This study not only consolidates the basic methods of combinational logic circuit design, but also enhances the understanding of time sequence circuit design and Verilog HDL application.

关键词：数字电路；彩灯控制器；组合逻辑；时序电路；Verilog HDL

第一章 引言

1 研究背景及意义

彩灯控制器广泛应用于节日装饰、广告显示等领域，通过数字电路控制彩灯的闪烁模式，不仅可以节约能源，还能提高灯光展示的视觉效果，传统的彩灯控制多采用模拟电路，其功能单一且不易修改，随着数字技术的发展，基于数字电路的彩灯控制器逐渐取代了传统方法，具有高度灵活性和可编程性，本文设计了一种基于数字电路的彩灯控制器，旨在探索更高效、更灵活的彩灯控制方案。

2 研究目的及任务

本文的研究目的是设计一个能够按特定规律控制彩灯点亮和熄灭的数字电路系统，具体任务包括：

1、设计适用的彩灯控制器电路，包括计数器、译码器等模块；

2、使用Verilog硬件描述语言编写层次化设计程序；

3、在实验箱中进行仿真测试，验证设计的可行性和稳定性。

3 文献综述

在数字电路领域，彩灯控制器的设计已有广泛的研究，早期研究主要集中在逻辑门电路的设计和简单时序电路的应用，近年来，随着可编程逻辑器件（PLD）和现场可编程门阵列（FPGA）的发展，彩灯控制器设计更加多样化和智能化，文献中，对于类似课题的研究大多采用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）进行设计，并在实际硬件平台上进行验证。

王华等人在其研究中探讨了基于FPGA的LED显示屏控制系统，重点解决了高速数据传输和显示控制的问题，李明等人则针对节日彩灯的多样化控制需求，设计了一种基于ATMEGA8的微控制器系统，实现了多种灯光效果的控制，这些研究要么侧重于特定类型的电路设计，要么需要复杂的编程和大量硬件资源，对于一般使用者来说上手难度较大。

本文的创新之处在于结合层次化设计理念，采用Verilog硬件描述语言，从一个较高的抽象层次对彩灯控制器进行设计与实现，既具备理论学习的价值，也具备实际应用的潜力，通过对电路和程序的模块化设计，使整个系统更易于理解和调试，也为后续的功能扩展提供了便利。

第二章 实验目的与要求

1 实验目的

1、巩固组合逻辑电路设计方法：通过设计和实现彩灯控制器，进一步掌握组合逻辑电路的设计方法和技巧，理解基本逻辑门在复杂电路中的应用。

2、学习时序电路的设计与实验方法：掌握时序电路的设计原理与实验步骤，熟悉触发器、计数器等时序元件的功能和使用方法。

3、掌握Verilog HDL的层次化设计方法：通过使用Verilog硬件描述语言进行层次化设计，提升对硬件描述语言的应用能力，增强对模块化设计的理解。

4、巩固Verilog HDL的层次化文件设计：深入理解层次化文件设计的重要性，通过实践掌握其设计方法和实现过程。

5、学习复杂数字系统的设计与仿真方法：通过实际设计和仿真操作，掌握复杂数字系统的全流程设计方法，从需求分析到最终测试验证。

1、用Verilog HDL设计6进制计数器及合适的译码器：设计一个6进制计数器，并编写相应的Verilog代码实现其功能，选择适当的译码器，将计数器的输出正确地转化为控制信号。

2、顶层模块设计：完成整体系统的顶层模块设计，确保各模块之间正确连接并协调工作。

3、仿真与测试：使用仿真工具对设计进行测试，验证其功能是否符合预期，调整和优化设计以修正存在的问题。

4、硬件实验箱测试：在实际硬件实验箱上部署设计，观察实际运行结果，记录并分析实验现象。

3 预习要求

1、自学Verilog HDL的层次化文件设计：预习相关教材和资料，理解Verilog语言的基本语法和层次化设计方法。

2、完成实验内容的电路功能仿真：在软件仿真环境中搭建电路模型，进行功能仿真，初步验证设计的正确性。

3、列出引脚锁定分配表：明确各个引脚的功能和连接关系，绘制引脚锁定分配表。

4、填写编译报告：根据仿真结果，编写详细的编译报告，记录实验过程中的重要数据和发现。

4 实验报告要求

1、列出通电测试结果：详细记录通电测试的各项结果，对比预期值和实际值，分析差异原因。

2、列出实验过程出现的问题及解决措施：记录实验过程中遇到的问题及其解决方法，总结经验教训。

3、附源程序：提供完整的Verilog源代码，包含详细的注释，解释关键部分的设计思路。

5 思考题

1、如果CLK1的频率为1Hz，如何改变CLK0的频率使其为2Hz：通过修改时钟分频比或调整计数器模值来实现频率的变化，需考虑时钟信号的稳定性和精度要求。

2、如果将CLK0的频率改为4096Hz，数码管的显示会如何变化：高频输入下，观察数码管显示的稳定性和响应速度，分析可能的闪烁或延迟现象。

3、如果要增加一组数码管显示“H”字符，如何修改程序：增加额外的译码器和七段显示器模块，修改顶层模块以整合新硬件，同时更新显示控制逻辑。

4、如果要再增加一组数码管显示，变成三组显示随机数字，如何修改程序：进一步扩展系统架构，添加更多译码和显示模块，重新配置计数器和控制逻辑以满足新需求。

第三章 设计方案与论证

1 总体设计方案

3.1.1 系统框图

系统的总体设计方案如图1所示，整个系统由以下几个主要模块组成：

1、脉冲时钟信号发生器：产生稳定的时钟信号，作为系统的基准频率源。

2、6进制计数器：对时钟信号进行计数，生成6个独立的状态。

3、译码器：将计数器的输出进行译码，转换成对应的控制信号。

4、数码管显示模块：接受译码器的输出信号，驱动七段数码管显示相应数字或字符。

5、控制信号生成模块：根据计数器状态生成各种控制信号，用于协调系统各部分的工作。

3.1.2 工作原理

系统工作原理如下：

1、时钟信号生成：脉冲时钟信号发生器产生固定频率的时钟信号，提供给6进制计数器。

2、计数与译码：6进制计数器对时钟信号进行计数，每计满6个脉冲重置一次，并将当前计数值输出，译码器将这些计数值转换为对应的控制信号。

3、信号输出：控制信号生成模块根据译码器的输出生成具体的控制指令，控制数码管显示模块的显示内容。

4、数码管显示：数码管显示模块根据接收到的控制信号驱动七段数码管显示相应的数字或字符。

2 各单元电路设计与参数计算

3.2.1 6进制计数器设计

6进制计数器是系统的核心部件之一，用于对输入的时钟信号进行计数，其设计参数和特征方程如下：

1、特征方程：使用三位触发器Q2、Q1、Q0表示二进制数，当计数达到“110”时复位。

2、模值设定：计数器模值为6，即每输入六个时钟脉冲，计数器完成一个循环并复位。

3、状态转换：初始状态为“000”，依次递增直到“101”，然后在下一个脉冲到来时复位到“000”。

3.2.2 74HC138译码器