详细介绍了这篇文章LED拼图玩具的设计过程包括同步信息、无线串行发射和接收、同步时钟、地址信息、抗干扰能力、系统自动零设计、红外数据传输、独立判断、随机等式部分的设计和实现。对电子玩具的深入研究具有重要意义。

1LED拼图玩具

玩具市场调查显示，智能玩具是未来儿童玩具的重要发展方向，智能玩具将受到更多家长的喜爱。LED拼图玩具集趣味性、智能开发性、智能性于一体。

趣味性:它的趣味性操作包括添加、减少、乘以和除(也可以扩展到英文字母的识别和英文单词的拼接)，由五个子模块组成(可以做更多)。

智能型:LED拼图玩具分为系统主机和子模块。系统主机通过无线发射模块随机向每个子模块发送一组等式，每个子模块通过自己的红外传感器将数据传输到系统主机进行判断。如果系统主机是正确的，它将再次通过无线发射模块发送“OK”字符到每个子模块，此时系统主机上的字符LED数码管显示“R”字符，标志着拼图的正确性；如果判断结果不正确，则无动作。

智力发展：按下系统主机的发送按钮后，所有子模块都显示了一个中断的等式。此时，孩子们通过观察和比较来判断将子模块放置成一个完整的等式。游戏的过程非常适合刚开始学习简单算术的孩子。游戏可以引导他们进行逻辑判断，改变传统的思维方式，有利于儿童智力的发展，增强成人和儿童之间的情感交流，减少彼此之间的代沟，有利于儿童的健康成长。

2设计方案论证

好的设计离不开好的设计方案，好的设计方案离不开多次的选择和论证。

2.1基于51系列单片机的设计方案

51系列单片机体积小，成本低，但对设计人员自身编程水平要求高，不方便信号数字处理。程序运行时串行处理，速度慢，不方便高速环境的应用。51系列单片机内部处理数据宽度为8位，对数据处理有一定限制，给设计工作带来不便。

2.2基于FPGA的设计方案

FPGA均支持VHDL语言，它不需要编程人员非常熟悉设备的内部结构，只要熟悉设备的内部结构，VHDL语言即可对FPGA进行操作。VHDL程序采用并行处理，从而提高了程序的处理速度，提高了设备的运行速度。VHDL语言语法严谨，描述硬件电路稳定性好。因此，选择此方案进行。LED拼图设计。

3方案设计

LED拼图玩具的设计采用载有拼图玩具的设计ALTEAR公司的Cyclone系列芯片EP1C3T144C8N竞赛板(以下简称竞赛板)LED拼图玩具的设计[1][2]。异步串行无线发射和接收部分，采用集成芯片FS1000A和PCR1A实现红外数据传输采用普通红外发射管和红外一体化接收器HS0038实现，显示部分8×实现8点阵和7段数码管，发送按钮实现普通按钮。软件部分均采用。VHDL语言描述，软件描述平台为QuartusII5.0[3][4]。

3.1设计的整体框图

4系统主机设计

系统主机工作流程:按下发送键后，系统随机组合成一组等式。程序将这些数据添加到同步信息和地址信息中，并在数据中间添加隔离信息，然后串联转换IO输出口直接驱动无线发射模块发射数据。子模块的数据信息通过红外传输到系统主机的红外接收器，接收器将数据发送到系统主机，程序判断其数据，并通过无线发射模块反馈到子模块。

4.1无线通信数据格式

在无线通信中，为了更好地区分数据信息和干扰信息，在发射过程中添加同步信息。为了确保同步信息的唯一性，特别添加了地址信息和字符信息“0”。地址信息采用4位编码，共16个地址，共16个子模块，字符信息包括“0～9，+，-，×，÷，OK”共有16位，所以也使用4位编码，如果要扩展英文字符，可以使用5位甚至更多的编码。

4.2无线发射电路

为了使电路在接收过程中更有效地识别数据，帧格式为：7位开始位“0111110”再加上9位数据位，由于传输数据位数少，没有停止位。数据的无线传输采用无线传输模块，无需外围电路，简化了设计过程，提高了设计效率。为了节省成本，采用单工通信模式。

4.3红外数据传输格式

红外数据传输格式与无线传输过程中的数据格式相同。“0111110”信息作为同步信号。

4.4红外通信协议

采用单工通信模式。该系统通过红外发射器发送机器处理的数据，并使用单工通信模式。“发—停—发”发送形式便于系统的自主判断功能。红外接收器的工作模式是连续接收前一个子模块发送的红外数据。频率为100Hz。

4.5红外数据发射

HS00038工作频率为38KHz，必须将发射信号调制到38KHz在载波上，取回数据信息后，通过门电路进行红外数据调制，调制后的数据通过竞赛板进行IO脚输出驱动红外发射电路[5]。

4.6系统主机控制原理

考虑到子模块显示的信息按操作规则直线放置，红外线将20位显示的数据信息（暂时只考虑5个子模块，每个子模块显示的数据为4位）不断传输到系统主机。“1+2=3”例如，20位数据的0到3位存储数据信息“3”存储在4到7位的代码是数据信息“=”数据信息存储在8到11位“2”数据信息存储在12到15位“+”数据信息存储在16到19位“1”代码，将这五个代码存储在不同的存储器中。检测这些存储的算术规律，如果系统主机发射正确，“OK”字符，让所有子模块显示“OK”字符，自身LED数码管显示“R”字符，标致游戏结束。相反，子模块在不正确的操作规则下，不发出任何控制信息。

4.7随机等式发生器

随机等式发生器的实现方法是:设置两个不同频率的高速计数器:一个是0到9的加法计数器，另一个是9到0的减法计数器，计数速度很高。当控制停止时，将两个计数值进行比较，较大的值作为和，另一个值作为加数，从而计算出加数，从而得到这样一个完整的等式，随机得到。

5.子模块设计

子模块工作流程:每个子模块上电后，总是检测系统主机的发射信息。检测到同步信息后，接收其数据。程序接收数据后，首先进行地址检测。当符合自己的地址信息时，将地址信息位后面的数据信息存储到另一个寄存器中，否则地址信息后面的数据信息不会被存储，无线发射帧格式中的隔离信息必须被删除。程序根据数据信息寄存器中的值查找字符表并显示其字符。每个子模块的显示数据通过红外线传输到下一个子模块，最后一个子模块将数据传输到系统主机。每个子模块接收前一个子模块传输的数据信息，串行数据串行转换后进行处理，处理后加入自己的数据信息，转换后驱动红外发射电路。这个过程中需要解决的关键技术是:红外通信技术和无线接收技术。

5.1串行接收电路设计

为了提高接收数据的准确性，降低误码率，对同步信息检测等数据处理采用4次抽样，判断4次抽样结果：4次抽样至少3次为高电平，判断为高电平，否则为低电平。

5.3无线接收，红外数据流程框图

5.4红外数据传输原理

该机采用红外数据是因为它具有近似直线的传播功能，不能穿透障碍物。LED拼图玩具由5个以上的正方形盒子组成，每个盒子的左右两个盒子分别安装在红外接收器和红外发射器上为外部安装）。由于盒子本身对红外线有隔离作用，防止了子模块之间的红外串扰，保证了数据传输的正确性。如果所有子模块并行装饰，则第一个子模块的发射器从左到右对准第二个子模块的接收器，以此类推，最后一个子模块的发射器对准系统主机的红外接收器，使每个子模块的显示数据按规定顺序直线传输到系统主机。

6结语

本设计利用VHDL一种语言描述LED借助美国拼图玩具，借助美国拼图玩具，Altera公司生产的Cyclone在系列芯片中EP1C3T144C8N（10万门）组建的竞争板已经实现。可以实现多收的无线通信模式，一个方向判断等式的正确性，不能区分等号的相反摆放，也不能区分加号的四个方向，需要进一步完善。