【正点原子FPGA连载】第七章LED灯闪烁实验
本帖最后由 正点原子 于 2021-1-25 18:38 编辑1）实验平台：正点原子达芬奇FPGA开发板
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第七章LED灯闪烁实验
LED灯闪烁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，LED灯闪烁都是他们在硬件上观察到的第一个实验现象。本章我们同样通过LED灯闪烁实验，带你进入FPGA的精彩世界。
本章包括以下几个部分：
77.1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，短的一端是阴极。图 7.1.2是开发板上用的贴片二极管实物图。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。
7.2实验任务
本节实验任务是达芬奇开发版上的LED0和LED1以固定的频率交替闪烁。
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 7.3.1LED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 LED灯实验管脚分配
对应的XDC约束语句如下：
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 }]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 }]
set_property PACKAGE_PIN R2 }]
set_property PACKAGE_PIN R3 }]
set_property PACKAGE_PIN R4
set_property PACKAGE_PIN U2
set_property IOSTANDARD LVCMOS33
set_property IOSTANDARD LVCMOS33
7.4程序设计
由于发光二极管的阳极与FPGA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下图所示：
图 7.4.1 LED灯模块原理图
其中，计数器对50MHz时钟进行计数，从而达到计时的目的。计数器在每次计时到1秒之后清零，然后重新开始计数，计数的值用于控制LED的显示状态。当计数器的值小于0.5s时，就把LED0点亮并把LED1熄灭；每当计数器的值大于0.5s时，就把LED0熄灭并把LED1点亮，以此实现两个LED的交替闪烁。
LED闪烁模块的代码如下：
1 moduleled_twinkle(
2 input sys_clk,//系统时钟
3 input sys_rst_n,//系统复位，低电平有效
4
5 outputled //LED灯
6 );
7
8 //reg define
9 regcnt ;
10
11//*****************************************************
12//** main code
13//*****************************************************
14
15//对计数器的值进行判断，以输出LED的状态
16assign led = (cnt < 26'd2500_0000) ? 2'b01 : 2'b10 ;
17
18//计数器在0~5000_000之间进行计数
19always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
20 if(!sys_rst_n)
21 cnt <= 26'd0;
22 else if(cnt < 26'd5000_0000)
23 cnt <= cnt + 1'b1;
24 else
25 cnt <= 26'd0;
26end
27
28endmodule
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cnt通过对50MHz系统时钟计数，计时到1s，需要累加1s/20ns=5000_0000次。在代码第23行，每当计时到1s计数器清零一次。
同时，在代码的第16行，对根据计数器的计数值来赋值两个LED的状态。当计数值小于26'd2500_000即计时到1s中的前500ms时，LED0点亮LED1熄灭；当计数值大于等于26'd2500_000，即计时到1s中的后500ms时，LED0熄灭LED1点亮。当计数到1s时，计数器又会回0，重复此过程。以此实现两个LED的交替闪烁。
为了验证我们的程序，我们在Vivado内对代码进行仿真。为了更容易地看到仿真现象，我们将源代码中的计数器的最大计数值修改为5，然后再仿真，如下图所示：
图 7.4.2 仅用于仿真的代码
Testbench模块代码如下：
1 `timescale 1ns / 1ps
2
3 module tb_led_twinkle();
4
5 //输入
6 reg sys_clk;
7 reg sys_rst_n;
8
9 //输出
10wire led;
11
12//信号初始化
13initial begin
14 sys_clk = 1'b0;
15 sys_rst_n = 1'b0;
16 #200
17 sys_rst_n = 1'b1;
18end
19
20//生成时钟
21always #10 sys_clk = ~sys_clk;
22
23//例化待测设计
24led_twinkleu_led_twinkle(
25 .sys_clk (sys_clk),
26 .sys_rst_n (sys_rst_n),
27 .led (led)
28 );
29
30endmodule
仿真得到的波形图如下图所示：
图 7.4.3 仿真波形图
从图 7.4.3中可以看到，计数器cnt的值在0到10之间循环计数。当cnt的值小于5时，led0为高电平；大于5时led0为高电平。两个LED的状态随着计数器的计数循环翻转，实现LED闪烁的效果。
7.5下载验证
编译工程并生成比特流.bit文件后，点击Vivado左侧“Flow Navigator”窗口最下面的“Open Hardware Manager”按钮如下图所示。
图 7.5.1 Hardware Manager界面
此时将Xilinx下载器一端连接电脑，另一端与开发板上的JTAG下载口连接，开发板连接电源线，如下图所示：
图 7.5.2 达芬奇开发板连接实物图
注意！一定要先把下载器的一端连接到了电脑、另一端连接了JTAG接口之后，再给开发板上电！否则，对开发板的JTAG接口进行带电热插拔，有一定概率会损坏JTAG接口！
开发板连接好电源线和下载器后，打开开发板电源开关，点击“Hardware”窗口中的“Auto Connect”图标，如下图所示：
图 7.5.3 “Auto Connect”图标
在“Hardware”子窗口中出现如下界面就表示Vivado就已经和下载器连接成功了，如下图所示：
图 7.5.4 与下载器连接成功
我们点击上图中的“Program Device”，弹出的界面如下图所示：
图 7.5.5 下载比特流界面
此时Bitstream File一栏会自动识别到工程的比特流文件，我们直接点击“Program”按钮下载程序，程序下载完成后，此时我们可以看到位于达芬奇开发板上的两个LED灯在不断地闪烁，如下图所示：
图 7.5.6 两个LED灯交替闪烁
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