【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 2021-1-23 15:03 编辑1）实验平台：正点原子超越者FPGA开发板
2)章节摘自【正点原子】超越者之FPGA开发指南
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第八章流水灯实验
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：
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
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 8.1.1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 8.1.2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 8.1.1 发光二极管实物图
图 8.1.2 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。
8.2实验任务
本节实验任务是使超越者开发板上的4个LED灯顺序点亮并熄灭，循环往复产生流水的现象。
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 8.3.1 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 8.3.1所示：
表 8.3.1 流水灯实验管脚分配
对应的 UCF 约束语句如下：
# PlanAhead Generated physical constraints
NET "sys_clk" LOC = N8 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET "sys_rst_n" LOC = G16 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET "led" LOC = T5 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET "led" LOC = M6 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET "led" LOC = M7 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET "led" LOC = T3 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
8.4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 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
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 <= {led，led};
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。
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 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 8.4.2Modelsim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
首先我们打开流水灯工程，在工程所在的路径下打开flow_led/prj/flow_led文件夹，在里面找到“flow_led.xise”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 8.5.1所示。
图 8.5.1 流水灯工程
工程打开后双击“Configure Target Device”一栏中的“Manage Configuration Project(iMAPCT)” (上图红框位置)，在弹出的界面中双击“Boundary Scan”，下载界面如图 8.5.2所示。
图 8.5.2 程序下载界面
如下图 8.5.3所示。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，然后连接电源线。
图 8.5.3 超越者开发板实物图
打开电源开关，接下来我们下载程序，验证流水灯功能。
开发板电源打开后，点击工具栏中的“Initialize chain”图标(图 8.5.4红框位置)，添加工程目录下的“flow_led.bit”文件。然后双击“Program”将工程编译完成后得到的bit文件下载到开发板中，如图 8.5.5所示。
图 8.5.4 硬件连接
图 8.5.5 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如下图所示。
图 8.5.6 流水灯效果图
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