实验题目：基于 FPGA 控制的光立方系统设计

1.实验内容与任务

1）以发光二极管和各种功能芯片为材料，设计自己的光立方模型。

2）以 FPGA 为主控芯片，实现和光立方的硬件连接，形成完整的光立方显示系统。

3）当 FPGA 输入音乐信号时，光立方应根据音乐节奏跳动，形成立体动态图。

4）当ROM中输入“图像信息”时，光立方应显示相应图像。

5）通过本实验使学生学会使用电洛铁，万用表，稳压电源等基本电学工具。

6）通过本实验，使学生能正确设计简单电路，并完成VerilogHDL代码的编写，熟练掌握 QuartusII 11.0 的使用，提高学生分析和判断能力。

7）实验要求学生焊接自己的光立方系统，并完成规定的现象显示，提交符合要求的实验报告。

2.实验过程及要求

1）仔细阅读实验讲义及教材中的相关知识，明确实验任务，了解实验的基本原理，熟悉实验方法和操作步骤。

2）明确实验中需要观察的现象、需要用到的实验工具及相关软件。

3）学习光立方工作的组成器件、工作原理和注意事项。

4）完成光立方电路的设计和焊接。

5）完成 FPGA 的引脚分配、代码编写、仿真、硬件连接及硬件实现。

6）观察实验现象并提出自己的遇到的问题和疑惑，总结 FPGA 工作特点，了解FPGA开发的基本流程。

7）对比实验现象和ROM中数据的关系。根据光立方显示原理，编写自己名字对应的数字信号，并在光立方模型中完成显示。

8）书写实验报告，实验报告要求内容完整，思路清晰，书写认真。

3.相关知识与背景

随着电工电子技术的发展，FPGA 在工业中发挥着越来越重要的作用。本实验是 FPGA 控制与光立方显示的有机结合。一方面在使用 FPGA 时，学生能够掌握 FPGA 的开发流程，体会 FPGA 的工作特点；另一方面光立方模型工作原理简单，工作电路经典，非常适用于大学本科的教学。在该实验中，同学们不但能学习到FPGA的代码开发，还能学习到硬件电路的设计与应用，对于以后设计功能更加复杂的电路奠定了良好的基础。

4.教学目的

本实验包含FPGA 的开发和光立方电路的设计、焊接，能在实验中锻炼学生的动手能力。在实验中使学生学会功能电路的设计、芯片的选择与使用、FPGA代码的编写与优化，使学生在整体上把握工程开发的工作流程，锻炼学生相互交流，相互配合的合作精神，提高学生基本的电学素养。

5.实验教学与指导

1）该实验是一个完整的 FPGA 开发流程，在此基础上还包括了硬件电路的设计和焊接，同学们在实验中应该做好笔记，认真学习。

2）学生在实验课前，必须认真预习，明确实验目的和要求，了解实验的基本原理、方法、步骤，学习基本的电学常识和安全常识。

3）实验前按指定的实验桌检查自己的实验仪器是否齐全完备。如有缺失、损坏，请及时与实验老师联系。未经老师允许，不得私自拆卸、挪动相关实验设备。

4）实验中，仔细阅读各元器件的使用规则，焊接时做到仔细认真。当电子元器件发生烧毁等现象时，应当立刻切断电源，检查修复电路。

5）在调试 FPGA 时，注意合理划分模块以及模块之间的通讯能力，善于使用IP 核能在一定程度上提高工作效率。

6.实验原理及方案

1）系统机构

2）实现方案

音乐信号

该实验包含 FPGA 控制，外围电路设计与焊接等部分，在FPGA开发过程中，可供选择的方案较多，此处只给出了其中一种。

外围功能电路的实现同样有较多方案，设计以上功能所用的芯片也有较多选择，考虑实验室硬件条件和电路的复杂程度，本设计给出以上方案。在使用74HC599芯片时，应注意该芯片可级联的特性，减少FPGA 引脚的使用。同时考虑芯片的驱动能力，方案中利用 74HC245和MOS 增强电路驱动能力。

三八译码功能可以利用 74HC138 等芯片实现（推荐），也可以利用分立元件自行设计。

7.实验报告要求

实验报告中应该包含以下内容：

1）实验名称、实验目的，实验时间。
2）实验中所用到的仪器设备（包括型号，数量）。
3） 实验原理。
4）实验步骤。
5） 实验中所设计的电路。
6） FPGA 内模块划分原则，内容。
7）实验中遇到到问题和解决思路。
8）实验现象描述。

8.考核标准及方法

1）实验成绩按课堂表现和实验报告两部分两部分评定，各占 $50 %$ 。

2）课堂表现分为实验效果和课堂纪律。实验要求能正确设计光立方的功能电路，能正确规划 FPGA 的内部模块并按照要求显示规定图像。要求学生所作出的设计具有一定创新性，杜绝千篇一律。

3）实验报告要求内容全面，思路清晰，书写规范，包含所有实验规定的内容。实验成绩将按上述几方面给出。

9.项目特色或创新

该项目的特点在于：实验内容全面，即包含FPGA 开发，又包含功能电路的设计。实验中所设计的电学知识基础性较强，电路经典，适合FPGA初学者学习、练习。

随着电学事业的发展，FPGA 在工业应用中起着越来越重要的作用。本实验中包含了代码编写，IP 核应用等基本 FPGA 知识，对于学生深入学习 FPGA 起到了指引作用。

光立方电路经典且实用，显示效果好，能激起学生做实验的兴趣。除此之外，光立方在日常生活中应用较广且前景较大，掌握光立方的设计及应用有助于学生体会生活中常见的电子产品原理，对学生日后的学习方向具有较大的启发性。

实验案例信息表