【正点原子FPGA连载】第七章 流水灯实验--摘自【正点原子】开拓者 FPGA 开发指南
本帖最后由 正点原子 于 2020-10-23 11:05 编辑1）实验平台：正点原子开拓者FPGA开发板2）平台购买地址：https://item.taobao.com/item.htm?id=5797492098203）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/thread-281143-1-1.html4）本实例源码下载： 5）对正点原子FPGA感兴趣的同学可以加群讨论：7125571226）关注正点原子公众号，获取最新资料更新：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：1.1 LED灯简介1.2 实验任务1.3 硬件设计1.4 程序设计1.5 下载验证1.1 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、白这八种颜色的光。图 7.1.1是可以发出黄、红、蓝三种颜色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色标记，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，否则电流过大就会烧坏二极管。1.2 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。1.3 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
信号名方向管脚端口说明
sys_clkinputE1系统时钟，50M
sys_rst_ninputM1系统复位，低有效
LedoutputD11LED0
LedoutputC11LED1
LedoutputE10LED2
LedoutputF9LED3
1.4 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 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： moduleflow_led(
input sys_clk,//系统时钟
input sys_rst_n,//系统复位，低电平有效
outputregled //4个LED灯
);
//reg define
reg counter;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//计数器对系统时钟计数，计时0.2秒
always @(posedge sys_clk ornegedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
counter <=24'd0;
elseif (counter< 24'd1000_0000)
counter <=counter + 1'b1;
else
counter <=24'd0;
end
//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
always @(posedge sys_clk ornegedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
led <=4'b0001;
elseif(counter== 24'd1000_0000)
led <= {led,led};
else
led <=led;
end
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。需要说明的是，led的初始值必须是一位为1，其它位为0，在循环左移的过程中才会呈现流水灯的效果；而如果led的初始值为0，则左移后led的状态仍然为0。代码中led的初始值是由复位信号（sys_rst_n）控制的，如代码中第27行和第28行所示。这里的复位信号对应的就是板载的复位按键，尽管在上电后没有按下复位按键，由于FPGA芯片内部有一个上电检测模块，一旦检测到电源电压超过检测门限后，就产生一个上电复位脉冲(Power On Reset)送给所有的寄存器，led的初始值就是在这个时候复位成4’b0001的。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 7.4.2Modelsim仿真波形图仿真过程用到的测试程序如下所示： `timescale1ns/1ns // 定义仿真时间单位1ns和仿真时间精度为1ns
moduleflow_led_tb(); // 测试模块
//parameter define
parameterT =20; // 时钟周期为20ns
//reg define
regsys_clk; // 时钟信号
reg sys_rst_n; // 复位信号
//wire define
wire[3:0led;
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//给输入信号初始值
initial begin
sys_clk = 1'b0;
sys_rst_n = 1'b0; //复位
#(T+1)sys_rst_n = 1'b1; // 在第21ns的时候复位信号信号拉高
end
//50Mhz的时钟，周期则为1/50Mhz=20ns,所以每10ns，电平取反一次
always #(T/2) sys_clk = ~sys_clk;
//例化led模块
flow_led u0_flow_led (
.sys_clk (sys_clk),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.led (led )
);
endmodule1.5 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，查看图中红色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USBBlaster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。
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。
图 7.5.4 程序下载完成界面
下载完成后，就能在开发板上看到流水灯的效果了。
FPGA点流水灯，太奢侈了。呵呵呵。
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