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FPGA极易入门教程----LED篇(1)跑马灯(流水灯)跑起来
这篇文章可能会帮助您:1、初步了解并行设计的思想及与串行设计的区别;2、如何实现多个LED的流动显示。
1、LED的基本原理
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。下图是可以发出黄、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。
下图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。
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。
2、串行与并行实现的区别
大多数开发板的LED都是设计成阴极接地,而阳极接到FPGA(或者单片机)的IO管脚上,所以我们只需要对IO口赋值即可实现LED的亮灭(赋值高电平==LED亮;赋值低电平==LED灭)。相信大多数同学都有C语言和单片机的基础(什么?你没有?那你还不去学),所以我们先来看一下单片机完成流水灯是怎么做的:
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit LED1 = P2^0;
sbit LED2 = P2^1;
sbit LED3 = P2^2;
sbit LED4 = P2^3;
sbit LED5 = P2^4;
sbit LED6 = P2^5;
sbit LED7 = P2^6;
sbit LED8 = P2^7;
void delay(uint z)
{
uint x,y;
for(x = 0; x < z; x++)
for(y = 0; y < 113; y++);
}
void main(void)
{
while(1)
{
LED1 = 0; //灯亮
delay(1000); //持续亮1s
LED1 = 1; //灯灭
delay(1000); //持续灭1s
LED2 = 0;
delay(1000);
LED2 = 1;
delay(1000);
LED3 = 0;
delay(1000);
LED3 = 1;
delay(1000);
LED4 = 0; //灯亮
delay(1000); //持续亮1s
LED4 = 1; //灯灭
delay(1000); //持续灭1s
}
}
直接看main函数:串行设计的流水灯是怎么实现的呢?
- 1、首先点亮第1个LED----延时1s----熄灭第1个LED;
- 2、然后点亮第2个LED----延时1s----熄灭第2个LED;
- 3、然后点亮第3个LED----延时1s----熄灭第3个LED;
- 4、最后点亮第4个LED----延时1s----熄灭第4个LED;
- 3、然后点亮第3个LED----延时1s----熄灭第3个LED;
- 2、然后点亮第2个LED----延时1s----熄灭第2个LED;
可以看到整个结构都是顺序执行下来的,即符合单片的顺序结构,也非常契合人类的思维方式。那么FPGA不是顺序结构的,而是并行结构,无法直接一条一条指令地执行,那么该如何实现流水灯?
FPGA的工作是无法离开时钟的(组合逻辑除外)。我们可以设计一个always块,实现计数(或者说是计时)功能:每来一个时钟,让寄存器cnt的值累加1,直到加到预先设计的阈值再从0开始循环。假设FPGA的工作频率是50M,那么周期就是20ns。要实现计数到1s,则需要计数1s/20ns = 50_000_000次。所以我们的计时模块,就从0计数到50_000_000 – 1,即可实现计数1s。
同时我们再设计一个always块(LED显示),每当计数模块计数到了1s,就让LED的输出变化一次。比如初始显示最右边的LED,第1s到来时切换显示右边数第2个LED;第2s到来时切换显示右边数第3个LED;第3s到来时切换显示最左边的LED。这样就可以实现LED的流水显示了。
从上面的分析,可以通过流程图来直观感受串行设计与并行设计的不同:
3、流水灯的具体实现
第二章实际上已经把流水灯的实现方法阐明了:
- 构造一个计时器,循环计时1s
- 构造显示的always块,每当计数器计时到1s,则切换LED显示状态
1s计时器
上面算了在50M的时钟频率下,计数到1s需要计数50000000次,这个数转换成二进制需要26位才能表示,所以寄存器cnt的位宽是26位,如下:
reg [25:0] cnt; //1s计时器
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
if(!sys_rst_n)
cnt <= 26'd0; //复位为0
else if(cnt == 50_000_000 - 1) //计数到1s
cnt <= 26'd0; //清零计数器
else //计数不到1s
cnt <= cnt + 1'd1; //计数器每个周期累加1
end
LED显示
每当计数器计时到1s,则切换LED显示状态:第一次只显示最右边的LED1,下一次显示LED2,再下一次显示LED3,下一次显示LED4,然后重复显示LED1,如此循环,如下图所示:
该部分代码如下:
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
if(!sys_rst_n)
led <= 4'b0001; //复位为最右边的点亮
else if(cnt == 50_000_000 - 1) //计数到1s
//拼接运算。把最高位(最左边的LED)移动到最低位,第2、1、0位作为整体向左移动一位
led <= {led[2:0],led[3]};
else //计数不到1s
led <= led; //保持LED状态不变
end
需要注意的是:我们是使用移位运算符来实现LED的循环移位:把右边三位【2:0】变成高3位【3:1】,而最高位【3】变成最低位【0】,即可显示LED显示的整体左移。
完整代码如下;
//**************************************************************************
// *** 名称 : led_flow
// *** 作者 : 孤独的单刀
// *** 博客 : https://blog.csdn.net/wuzhikaidetb
// *** 日期 : 2021.12
// *** 描述 : 1s流水灯,循环左移
//**************************************************************************
module led_flow
//============================< 信号 >======================================
(
//时钟和复位 --------------------------------------------
input sys_clk , //系统时钟50M
input sys_rst_n , //低电平有效的异步复位
//DDR3写 ------------------------------------------------
output reg [3:0] led //LED的赋值电平
);
reg [25:0] cnt; //1s计时器
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
if(!sys_rst_n)
cnt <= 26'd0; //复位为0
else if(cnt == 50_000_000 - 1) //计数到1s
cnt <= 26'd0; //清零计数器
else //计数不到1s
cnt <= cnt + 1'd1; //计数器每个周期累加1
end
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)begin
if(!sys_rst_n)
led <= 4'b0001; //复位为最右边的点亮
else if(cnt == 50_000_000 - 1) //计数到1s
//拼接运算。把最高位(最左边的LED)移动到最低位,第2、1、0位作为整体向左移动一位
led <= {led[2:0],led[3]};
else //计数不到1s
led <= led; //保持LED状态不变
end
endmodule
4、仿真测试
进行仿真测试的时候,我们把代码稍微改下:1s计时模块改成1ms计时模块,即50_000_000改为50_000。原因是若计时1s则仿真需要的时间太长。仿真的testbench比较简单,只需要提供时钟和复位激励即可,如下:
//**************************************************************************
// *** 名称 : tb_led_flow
// *** 作者 : 孤独的单刀
// *** 博客 : https://blog.csdn.net/wuzhikaidetb
// *** 日期 : 2021.12
// *** 描述 : 1s流水灯,循环左移的测试模块
//**************************************************************************
`timescale 1ns/1ns //时间单位/精度
//------------<模块及端口声明>----------------------------------------
module tb_led_flow();
reg sys_clk;
reg sys_rst_n;
wire [3:0] led;
//------------<例化被测试模块>----------------------------------------
led_flow led_flow_inst(
.sys_clk (sys_clk ),
.sys_rst_n (sys_rst_n ),
.led (led )
);
//------------<设置初始测试条件>----------------------------------------
initial begin
sys_clk = 1'b0; //初始时钟为0
sys_rst_n <= 1'b0; //初始复位
#5 //5个时钟周期后
sys_rst_n <= 1'b1; //拉高复位,系统进入工作状态
end
//------------<设置时钟>----------------------------------------------
always #10 sys_clk = ~sys_clk; //系统时钟周期20ns
endmodule
使用modelsim执行仿真,仿真结果如下:
可以看到:
- 4个led的初始结果是0001(1代表LED亮,0代表灭),所以此时最右边的LED1亮,其他LED熄灭
- 1ms(仿真为节省时间改为1ms,实际上板验证是1s)后led的值变成了0010,代表此时仅LED2亮,其他LED熄灭
- 再1ms后led的值变成了0100,代表此时仅LED3亮,其他LED熄灭
- 再1ms后led的值变成了1000,代表此时仅LED4亮,其他LED熄灭
- 再1ms后led的值变成了0001,代表此时仅LED1亮,其他LED熄灭
- 一直循环上面的状态,以此来实现LED的流水显示
5、上板测试
绑定对应管脚,全编译整个文件,将sof文件通过JTAG接口下载进FPGA开发板,观察其实验现象。结果如下:
可以看到LED以1S的速度向左循环移位,实现了预期的流水灯效果。
6、其他
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版本信息
文件:V1.0
编号:0002
Quartus II:Quartus II 13.1 (64-bit)
Modelsim:Modelsim SE-64 2020.4
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