《新起点V2之FPGA开发指南》第八章 LED灯流水实验

正点原子

1）实验平台：正点原子新起点V2FPGA开发板
2)  章节摘自【正点原子】《新起点之FPGA开发指南 V2.1》
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第八章 LED灯流水实验

LED灯流水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灯流水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灯流水实验，带你进入FPGA的精彩世界。
本章包括以下几个部分：
11.1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，短的一端是阴极。图 8.1.2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 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。
1.2实验任务
       本节实验任务是使新起点开发板上的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 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 LED灯实验管脚分配

对应的TCL约束语句如下：

1. set_location_assignment PIN_M2 -to sys_clk
   
2. set_location_assignment PIN_M1 -to sys_rst_n
   
3. set_location_assignment PIN_D11 -to led[0]
   
4. set_location_assignment PIN_C11 -to led[1]
   
5. set_location_assignment PIN_E10 -to led[2]
   
6. set_location_assignment PIN_F9 -to led[3]

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1.4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 8.4.1 LED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. 1   module flow_led(
   
2. 2       input               sys_clk  ,  //系统时钟
   
3. 3       input               sys_rst_n,  //系统复位，低电平有效
   
4. 4      
   
5. 5       output  reg  [3:0]  led         //4个LED灯
   
6. 6       );
   
7. 7   
   
8. 8   //reg define
   
9. 9   reg [23:0] counter;
   
10. 10  
    
11. 11  //*****************************************************
    
12. 12  //**                    main code
    
13. 13  //*****************************************************
    
14. 14                                                                                                                                                                                                                          
    
15. 15  //计数器对系统时钟计数，计时0.2秒
    
16. 16  always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    
17. 17      if (!sys_rst_n)
    
18. 18          counter <= 24'd0;
    
19. 19      else if (counter < 24'd1000_0000)
    
20. 20          counter <= counter + 1'b1;
    
21. 21      else
    
22. 22          counter <= 24'd0;
    
23. 23  end
    
24. 24  
    
25. 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. 26  always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    
27. 27      if (!sys_rst_n)
    
28. 28          led <= 4'b0001;
    
29. 29      else if(counter == 24'd1000_0000)
    
30. 30          led[3:0] <= {led[2:0],led[3]};
    
31. 31      else
    
32. 32          led <= led;
    
33. 33  end
    
34. 34  
    
35. 35  endmodule

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       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 8.4.2  Modelsim仿真波形图

仿真过程用到的测试程序如下所示：

1. 1   `timescale  1ns/1ns                // 定义仿真时间单位1ns和仿真时间精度为1ns
   
2. 2   
   
3. 3   module  flow_led_tb;               // 测试模块
   
4. 4   
   
5. 5   //parameter  define
   
6. 6   parameter  T = 20;                 // 时钟周期为20ns
   
7. 7   
   
8. 8   //reg define
   
9. 9   reg  sys_clk;                      // 时钟信号
   
10. 10  reg  sys_rst_n;                    // 复位信号
    
11. 11  
    
12. 12  //wire define
    
13. 13  wire  [3:0]  led;
    
14. 14  
    
15. 15  //*****************************************************
    
16. 16  //**                    main code
    
17. 17  //*****************************************************
    
18. 18  
    
19. 19  //给输入信号初始值
    
20. 20  initial begin
    
21. 21      sys_clk            = 1'b0;
    
22. 22      sys_rst_n          = 1'b0;     // 复位
    
23. 23      #(T+1)  sys_rst_n  = 1'b1;     // 在第21ns的时候复位信号信号拉高
    
24. 24  end
    
25. 25  
    
26. 26  //50Mhz的时钟，周期则为1/50Mhz=20ns,所以每10ns，电平取反一次
    
27. 27  always #(T/2) sys_clk = ~sys_clk;
    
28. 28  
    
29. 29  //例化led模块
    
30. 30  flow_led  u0_flow_led (
    
31. 31      .sys_clk     (sys_clk  ),
    
32. 32      .sys_rst_n   (sys_rst_n),
    
33. 33      .led         (led      )
    
34. 34  );
    
35. 35  
    
36. 36  endmodule

复制代码

1.5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 8.5.1所示。

图 8.5.1 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 8.5.2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 8.5.2 程序下载界面

       如下图 8.5.3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。

图 8.5.3 新起点开发板实物图

       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 8.5.4所示。

图 8.5.4 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。