【小月电子】安路国产FPGA开发板系统学习教程-LESSON3 LED流水灯_安路led灯

LED流水灯例程讲解

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根据多年工作经验，总结出的FPGA的设计流程，概括起来总共有以上12步，其中根据项目难易度可省去其中一些步骤。比如非常简单的项目，我们可以省去虚线框里面的步骤，但是我们的入门级课程，即使再简单，也按照这12个步骤来进行讲解。

1. 需求解读

1.1 需求

实现8个LED灯依次点亮，每100ms点亮1个，直到8个LED灯被全部点亮，然后全部熄灭，再依次点亮。

1.2 知识背景

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。 如下图所示：

图2.插件LED灯 这种二极管长的一端是阳极，短的那端是阴极。 开发板上板载的是贴片LED灯，实物 如下图所示：

图3.贴片LED灯 贴片发光二极管的正面一般都有颜色标记，有标记的那端就是阴极。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。

1.3 硬件设计

图4.LED灯原理图及PCB

图5.有源晶振

图6.按键电路

发光二极管的原理图如上图4所示， LED1到LED8这8个发光二极管的阳 极都连到3.3V上， 阴极分别与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。通过原理图我们可以看出，LED1与FPGA的管脚 L12相连。在PCB图或实物上我们都标注出了管脚号，所以在绑管脚的时候 可以不用看原理图，直接看板上的丝印就可以，如上图PCB图所示。我们只 点亮一个LED灯（LED1），那我们只用关心LED1的管脚号（L12）。当管脚L12 输出低电平时，LED灯便有电流流过，驱动LED灯发光，如果L12输出高电 平，LED灯没有电流流过，LED不发光。

1.4 接口说明

总结：通过上述说明，可以将需求解读成，先点亮LED1(100ms)，接着点亮LED2(100ms)…最后点亮LED8，然后全部熄灭。再重复上述操作。

2. 绘制理论波形图

3.新建TD工程

为了让工程看起来整洁，同时方便工程移植。我们新建4个文件夹，分别是Project，Source，Sim，Doc。
1

Project — 工程文件夹，里面放的TD工程
Source — 源代码文件夹，里面放的工程源码（.v文件或.vhd文件）
Sim — 仿真文件夹，里面放的仿真相关的文件
Doc — 存放相关资料，比如数据手册，需求文档等

4.编写代码

///
//QQ:3181961725
//TEL/WX:13540738439
//作者：Mr Wang
//模块介绍：实现LED流水灯
///
module led_flow(
	input				rst_n	,//复位信号，低电平有效
	input				clk		,//时钟信号，50MHZ
	output	reg [7:0] 	led		 //LED灯控制信号
	);
	parameter	time_100ms=5000000;//100mS
	//parameter	time_100ms=2500;
	parameter	IDLE	=4'd0;//初始状态
	parameter	S0      =4'd1;//点亮第1个LED灯					
	parameter	S1      =4'd2;//点亮第1.2两个LED灯				
	parameter	S2      =4'd3;//点亮第1.2.3三个LED灯			
	parameter	S3      =4'd4;//点亮第1.2.3.4四个LED灯			
	parameter	S4      =4'd5;//点亮第1.2.3.4.5四个LED灯		
	parameter	S5      =4'd6;//点亮第1.2.3.4.5.6四个LED灯		
	parameter	S6      =4'd7;//点亮第1.2.3.4.5.6.7四个LED灯	
	parameter	S7      =4'd8;//点亮第1.2.3.4.5.6.7.8四个LED灯	
	parameter	S8		=4'd9;//LED灯全部熄灭					
	reg [3:0]	curr_st;
	reg	[24:0]	led0_cnt,led1_cnt,led2_cnt,led3_cnt;
	reg	[24:0]	led4_cnt,led5_cnt,led6_cnt,led7_cnt;
	reg	[24:0]	all_off_cnt;
//状态机跳转
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		curr_st<=IDLE;
	else case(curr_st)
		IDLE:curr_st<=S0;
		S0:begin
			if(led0_cnt==time_100ms-1)//当led0_cnt等于time_500ms-1时，跳转到S1状态
				curr_st<=S1;
			else;
		end
		S1:begin
			if(led1_cnt==time_100ms-1)
				curr_st<=S2;
			else;
		end
		S2:begin
			if(led2_cnt==time_100ms-1)
				curr_st<=S3;
			else;
		end
		S3:begin
			if(led3_cnt==time_100ms-1)
				curr_st<=S4;
			else;
		end
		S4:begin
			if(led4_cnt==time_100ms-1)
				curr_st<=S5;
			else;
		end
		S5:begin
			if(led5_cnt==time_100ms-1)
				curr_st<=S6;
			else;
		end
		S6:begin
			if(led6_cnt==time_100ms-1)
				curr_st<=S7;
			else;
		end
		S7:begin
			if(led7_cnt==time_100ms-1)
				curr_st<=S8;
			else;
		end
		S8:begin
			if(all_off_cnt==time_100ms-1)
				curr_st<=S0;
			else;
		end
		default:;
	endcase
end
//led0_cnt计数寄存器
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		led0_cnt<=0;
	else if(curr_st==S0)
		led0_cnt<=led0_cnt+1;
	else 
		led0_cnt<=0;
end
//led1_cnt计数寄存器
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		led1_cnt<=0;
	else if(curr_st==S1)
		led1_cnt<=led1_cnt+1;
	else 
		led1_cnt<=0;
end
//led2_cnt计数寄存器
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		led2_cnt<=0;
	else if(curr_st==S2)
		led2_cnt<=led2_cnt+1;
	else 
		led2_cnt<=0;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		led3_cnt<=0;
	else if(curr_st==S3)
		led3_cnt<=led3_cnt+1;
	else 
		led3_cnt<=0;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		led4_cnt<=0;
	else if(curr_st==S4)
		led4_cnt<=led4_cnt+1;
	else 
		led4_cnt<=0;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		led5_cnt<=0;
	else if(curr_st==S5)
		led5_cnt<=led5_cnt+1;
	else 
		led5_cnt<=0;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		led6_cnt<=0;
	else if(curr_st==S6)
		led6_cnt<=led6_cnt+1;
	else 
		led6_cnt<=0;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		led7_cnt<=0;
	else if(curr_st==S7)
		led7_cnt<=led7_cnt+1;
	else 
		led7_cnt<=0;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		all_off_cnt<=0;
	else if(curr_st==S8)
		all_off_cnt<=all_off_cnt+1;
	else 
		all_off_cnt<=0;
end
//LED灯接口赋值操作
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		led<=8'hff;
	else case(curr_st)
		IDLE	:led<=8'hff;
		S0		:led<=8'hfe;
		S1		:led<=8'hfc;
		S2		:led<=8'hf8;
		S3		:led<=8'hf0;
		S4		:led<=8'he0;
		S5		:led<=8'hc0;
		S6		:led<=8'h80;
		S7		:led<=8'h00;
		S8	:led<=8'hff;
		default:;
	endcase
end
endmodule
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5.编写仿真测试激励文件

`timescale 1ns/1ns
module led_flow_tb;
	reg	rst_n;
	reg	clk	;
	initial	
		begin
			clk=0;
			rst_n=0;//产生复位激励信号
			#1000
			rst_n=1;//产生复位激励信号
		end
	//产生时钟激励信号
	always #10 clk<=~clk;
	//例化被仿真模块
	led_flow Uled_flow(
	.rst_n	(rst_n),
	.clk	(clk),
	.led    ()
	);
endmodule
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6.Modelsim仿真

Modelsim仿真一般有两种方法

1. 图形化界面仿真，即所有的操作都是在Modelsim软件界面上来完成，该方式的优点是，简单易学，适用于简单的项目，缺点是操作步骤繁琐。

2. 批处理仿真，这种方式在仿真前需要编写相应的脚本文件，该方式的优点是，一键即可完成仿真，省时省力，缺点是前期需要编写脚本文件。前两讲采用的是图形化界面仿真的方式；为了更贴近工程实际，从这一讲开始，我们就采用批处理方式仿真。具体操作步骤可参考我们的视频教程
   仿真出的波形如下图所示：
   

7.对比波形图

将第二步绘制的理论波形图与第六步Modelsim仿真出来的波形图进行对比，结果一致，说明我们的逻辑设计是正确的。如果发现比对结果不一致，就需要找到不一致的原因，最终要保证对比结果一致。通过对比，理论波形与仿真波形一致，说明功能符合设计要求。

8 添加.v文件

9 绑定管脚并保存约束文件（.adc）

10 编译综合生成BIT文件

11.下载BIT文件

下载成功后，便可以观察到开发板上的实验现象，如果实验现象与设计需求相符，那说明我们的设计是没有问题的，即可进行下一步固化配置文件。

12 固化配置文件

FPGA有一个特性，就是掉电后配置信息会丢失，所以我们需要将配置信息存储在配置芯片（FLASH）中，待开发板上电后，FPGA便会读取配置芯片中的配置信息，这样开发板掉电再上电后同样可正常工作

固化成功后，开发板断电再重新上电，可以观察到开发板仍然可以执行刚刚的功能。