【正点原子FPGA连载】第七章流水灯实验

2020-01-27 13:47发布

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第七章流水灯实验
流水灯作为一个经典的入门实验，其地位堪比编程界的“Hello,World”。对于很多电子工程师来说，流水灯都是他们在硬件上观察到的第一个实验现象。流水灯是指多个LED灯按照一定的时间间隔，顺序点亮并熄灭，周而复始形成流水效果。本章我们同样通过流水灯实验，带你进入FPGA的精彩世界。
本章包括以下几个部分：
7.1 LED灯简介
7.2 实验任务
7.3 硬件设计
7.4 程序设计
7.5 下载验证
7.1 LED灯简介
LED，又名发光二极管。 LED灯工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光） , 抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长。由于这些优点， LED灯被广泛用在仪器仪表中作指示灯、液晶屏背光源等诸多领域。不同材料的发光二极管可以发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白这八种颜 {MOD}的光。
图 7.1.1是可以发出黄、红、蓝三种颜 {MOD}的直插型二极管实物图，这种二极管长的一端是阳极，短的那端是阴极。图 7.1.2是开发板上用的贴片发光二极管实物图。贴片二极管的正面一般都有颜 {MOD}标记，有标记的那端就是阴极。

图 7.1.1 发光二极管实物图

图 7.1.2 贴片发光二极管实物图
发光二极管与普通二极管一样具有单向导电性。给它加上阳极正向电压后，通过5mA左右的电流就可以使二极管发光。通过二极管的电流越大，发出的光亮度越强。不过我们一般将电流限定在3~20mA之间，否则电流过大就会坏二极管。
7.2 实验任务
本节实验任务是使开拓者开发板上的4个LED灯顺序点亮并熄灭，循环往复产生流水的现
象。
7.3 硬件设计
发光二极管的原理图如图 7.3.1所示， LED0到LED3这4个发光二极管的阴极都连到地（GND）上，阳极分别与FPGA相应的管脚相连。原理图中LED与地之间的电阻起到限流作用。

图 7.3.1 LED灯硬件原理图
本实验中，系统时钟、按键复位以及LED端口的管脚分配如下表 7.3.1所示：
表 7.3.1 流水灯实验管脚分配

7.4 程序设计
由于二极管的阳极分别与FPGA相应的管脚相连，只需要改变与LED灯相连的FPGA管脚的电平， LED灯的亮灭状态就会发生变化。当FPGA管脚为高电平时， LED灯点亮；为低电平时， LED灯熄灭。
本次设计的模块端口及信号连接如图 7.4.1所示：
图7.4.1.png

图 7.4.1 流水灯模块原理图
由于人眼的视觉暂留效应，流水灯状态变换间隔时间最好不要低于0.1s,否则就不能清晰地观察到流水效果。这里我们让流水灯每间隔0.2s变化一次。在程序中需要用一个计数器累加计数来计时，计时达0.2s后计数器清零并重新开始计数，这样就得到了固定的时间间隔。每当计数器计数满0.2s就让led灯发光状态变化一次。
流水灯模块的代码如下：
1 module flow_led(
2 input sys_clk , //系统时钟
3 input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效
4 5
output reg [3:0] led //4个LED灯
6 );
7 8
//reg define
9 reg [23:0] counter;
10
11 //*****************************************************
12 //** main code
13 //*****************************************************
14
15 //计数器对系统时钟计数，计时0.2秒
16 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
17 if (!sys_rst_n)
18 counter <= 24'd0;
19 else if (counter < 24'd1000_0000)
20 counter <= counter + 1'b1;
21 else
22 counter <= 24'd0;
23 end
24
25 //通过移位寄存器控制IO口的高低电平，从而改变LED的显示状态
26 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
27 if (!sys_rst_n)
28 led <= 4'b0001;
29 else if(counter == 24'd1000_0000)
30 led[3:0] <= {led[2:0],led[3]};
31 else
32 led <= led;
33 end
34
35 endmodule
本程序中输入时钟为50MHz，所以一个时钟周期为20ns（1/50MHz）。因此计数器counter通过对50MHz系统时钟计数，计时到0.2s，需要累加0.2s/20ns=10000000次。在代码第22行，每当计时到0.2s计数器清零一次。
同时，每当计数器计数到10000000时，将各个LED灯的状态左移一位，并将最高位的值移动到最低位，循环往复。其他时间， LED灯的状态不变。如代码中第29至32行所示。我们在Modelsim中对流水灯程序进行仿真，为了减少仿真过程所需要的时间，将流水灯状态变化的间隔时间修改为0.1ms。仿真得到的波形图如图 7.4.2所示， led端口寄存器的值按照0001→0010→0100→1000→0001的顺序变化，对应的各个LED灯的接口电平依次改变。

图 7.4.2 Modelsim仿真波形图
仿真过程用到的测试程序如下所示：
1 `timescale 1ns/1ns
2 module tb_flow_led();
3
4 //parameter define
5 parameter T = 20;
6 7
//reg define
8 reg sys_clk; //时钟信号
9 reg sys_rst_n; //复位信号
10
11 //wire define
12 wire [3:0] led;
13
14 //*****************************************************
15 //** main code
16 //*****************************************************
17
18 //给输入信号初始值
19 initial begin
20 sys_clk <= 1'b0;
21 sys_rst_n <= 1'b0; //复位
22 # T sys_rst_n <= 1'b1; //在第20ns的时候复位信号信号拉高
23 end
24
25 //50Mhz的时钟，周期则为1/50Mhz=20ns,所以每10ns，电平取反一次
26 always # (T/2) sys_clk <= ~sys_clk;
27
28 //例化led模块
29 flow_led u0_flow_led (
30 .sys_clk (sys_clk ),
31 .sys_rst_n (sys_rst_n),
32 .led (led )
33 );
34
35 endmodule
7.5 下载验证
首先我们打开流水灯工程，在工程所在的路径下打开flow_led/par文件夹，在里面找到“flow_led.qpf” 并双击打开。注意工程所在的路径名只能由字母、数字以及下划线组成，不能出现中文、空格以及特殊字符等。 flow_led工程打开后如图 7.5.1所示。

图 7.5.1 流水灯工程
工程打开后通过点击工具栏中的“Programmer” 图标(图中红框位置)打开下载界面。下载界面如图 7.5.2所示，查看图中红 {MOD}矩形框中是否已经加载下载文件（sof文件）。如果没有，则需要通过点击“Add File” 按钮添加流水灯工程中flow_led/par/output_files目录下的“flow_led.sof” 文件。

图 7.5.2 程序下载界面
如下图 7.5.3所示。将USB Blaster下载器一端连接电脑，另一端与开发板上的JTAG下载口连接，如下图所示。然后连接电源线并打开电源开关。
QQ截图20190522221411.png

图 7.5.3 开拓者开发板实物图
接下来我们下载程序，验证流水灯功能。开发板电源打开后，在程序下载界面点击“Hardware Setup” ，在弹出的对话框中选择当前的硬件连接为“USB-Blaster” 。然后点击“Start” 将工程编译完成后得到的sof文件下载
到开发板中，如图 7.5.4所示。