【正点原子FPGA连载】第八章流水灯实验
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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第八章流水灯实验
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。本章我们同样通过达芬奇开发板来实现流水灯实验。
本章包括以下几个部分：
88.1简介
8.2实验任务
8.3硬件设计
8.4程序设计
8.5下载验证
8.1简介
我们在“LED灯闪烁实验”中对LED灯作了详细的介绍，如果大家对这部分内容不是很熟悉的话，请参考“LED灯闪烁实验”中的简介部分。
8.2实验任务
本节实验任务是使达芬奇开发板上的4个LED灯顺序点亮并熄灭，循环往复产生流水的现象。
8.3硬件设计
发光二极管的原理图如图 8.3.1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 8.3.1LED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 8.3.1所示：
表 8.3.1 流水灯实验管脚分配
对应的XDC约束语句如下：
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 }]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 }]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 }]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 }]
set_property PACKAGE_PIN R2 }]
set_property PACKAGE_PIN R3 }]
set_property PACKAGE_PIN V2 }]
set_property PACKAGE_PIN Y2 }]
set_property PACKAGE_PIN R4
set_property PACKAGE_PIN U2
set_property IOSTANDARD LVCMOS33
set_property IOSTANDARD LVCMOS33
8.4程序设计
本次设计的模块端口及信号连接如图 8.4.1所示：
图 8.4.1 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：
1module 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 outputregled //4个LED灯
6 );
7
8//reg define
9reg counter;
10
11 //*****************************************************
12 //** main code
13 //*****************************************************
14
15 //计数器对系统时钟计数，计时0.2秒，仿真时设为10
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 //else if (counter < 24'd9) //仅用于仿真
21 counter <= counter + 1'b1;
22 else
23 counter <= 24'd0;
24 end
25
26 //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
27 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
28 if (!sys_rst_n)
29 led <= 4'b0001;
30 else if(counter == 24'd1000_0000)
31 //else if(counter == 24'd9) //仅用于仿真
32 led <= {led,led};
33 else
34 led <= led;
35 end
36
37 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23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30至34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28行和第29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Vivado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10个时钟周期。仿真得到的波形图如图 8.4.2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 8.4.2仿真波形图
仿真过程用到的测试程序如下所示：
1`timescale1ns/1ns // 定义仿真时间单位1ns和仿真时间精度为1ns
2
3moduleflow_led_tb; // 测试模块
4
5//parameterdefine
6parameterT = 20; // 时钟周期为20ns
7
8//reg define
9regsys_clk; // 时钟信号
10 regsys_rst_n; // 复位信号
11
12 //wire define
13 wireled;
14
15 //*****************************************************
16 //** main code
17 //*****************************************************
18
19 //给输入信号初始值
20 initial begin
21 sys_clk = 1'b0;
22 sys_rst_n = 1'b0; // 复位
23 #(T+1)sys_rst_n= 1'b1; // 在第21ns的时候复位信号拉高
24 end
25
26 //50Mhz的时钟，周期则为1/50Mhz=20ns,所以每10ns，电平取反一次
27 always #(T/2) sys_clk = ~sys_clk;
28
29 //例化led模块
30 flow_ledu0_flow_led (
31 .sys_clk (sys_clk),
32 .sys_rst_n (sys_rst_n),
33 .led (led )
34 );
35
36 endmodule
8.5下载验证
编译工程并生成比特流.bit文件后，接下来我们下载比特流.bit文件，验证LED灯流水的功能。程序下载完成后，就能在开发板上看到流水灯的效果了。如下图所示：
图 8.5.1 流水灯实验图
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