基于FPGA至简设计法的4位闪烁灯

4位闪烁灯

一、项目背景

LED灯的理论、教学板的原理图，已经在案例1位闪烁灯中有详细的描述，在此不再讲述，有兴趣的读者可以返回去阅读。 

二、设计目标

本工程使用4个LED灯---LED1~LED4，实现一个呼吸灯的功能。这4个灯具体的变化情况为：

第1个灯隔1秒后，亮1秒；然后第2个灯隔1秒后，亮2秒；然后第3个灯隔1秒后，亮3秒，最后第4个灯隔1秒，亮4秒。如此循环往复。

下面是波形图：

 

上板效果图如下图所示。

    

三、模块设计

我们先分析一下板子上的LED灯。每个LED灯都有一个信号来控制，该信号为0，则灯亮，如果该信号为1，则灯来。现在我们要控制4个LED灯亮灭，那就需要4个信号，假设分别为led0、led1、led2和led3。这4个信号分别连接到4个led灯上。如果要让LED0灯0亮，LED1~3灯来，那FPGA就让led0信号为0，led1~3信号都为1。

综上所述，我们这个工程需要6个信号：时钟clk，复位rst_n、led0、led1、led2和led3。

我们再分析一下功能需求，第1个灯隔1秒后，亮1秒；然后第2个灯隔1秒后，亮2秒；然后第3个灯隔1秒后，亮3秒，最后第4个灯隔1秒，亮4秒。如此循环往复。

上面的功能需求，也可以翻译成：对于LED0，复位后，先灭1秒，亮1秒，然后再灭12秒，循环往复；对于LED1，复位后，先灭3秒，亮2秒，然后再灭9秒，循环往复；对于LED2，复位后，先灭6秒，亮3秒，然后再灭5秒，循环往复；对于LED3，先灭10秒，亮4秒，循环往复。

再将其翻译成信号来理解：

复位后，让信号led0=1并持续1秒，然后让led0=0并持续1秒，然后让led0=1持续12秒。循环往复。

复位后，让信号led1=1并持续3秒，然后让led1=0并持续2秒，然后让led1=1持续9秒。循环往复。

复位后，让信号led2=1并持续6秒，然后让led2=0并持续3秒，然后让led2=1持续5秒。循环往复。

复位后，让信号led3=1并持续10秒，然后让led3=0并持续4秒。循环往复。

再将其翻译成波形如下图所示。

 

由图中可看到，信号led0~led3的变化单位最小是1秒，同时4个信号都是经过14秒后就循环一次。由至简设计法的思想，很容易就得出我们需要2个计数器，1个计数器用来计算1秒时间，另1个计数器用来计算14秒。有了这两个计数器，led0~led3的变化时间就有了标准。

我们用1个计数器用来计算1秒时间，该计数器名称为cnt0。本工程的工作时钟是50MHz，即周期为20ns，计数器计数到1_000_000_000/20=50_000_000个，我们就能知道1秒时间到了。该计数器是不停地计数，永远不停止的，可以认为加1条件一直有效，可写成：assign add_cnt==1。综上所述，该计数器的代码如下。

 

我们再用1个计数器用来表示14秒，名称为cnt1。该计数器表示次数，自然是每隔1秒就加1，那就是end_cnt0。该计数器一共要数14次。所以代码为：

 

有了两个计数器，我们来思考输出信号led0的变化。概括起来，led0有两种变化点：变0和变1。变0的原因都是计数到1秒时间，也就是add_cnt1 && cnt1==1-1时，led0变0。变1的原因，则是数到2秒时间时，即add_cnt1 && cnt1==2-1时，led0变1。所以led0信号的代码如下：

 

接下来我们思考输出信号led1的变化。概括起来，led1有两种变化点：变0和变1。变0的原因都是计数到3秒时间，也就是add_cnt1 && cnt1==3-1时，led1变0。变1的原因，则是数到5秒时间时，即add_cnt1 && cnt1==5-1时，led1变1。所以led1信号的代码如下：

 

接下来我们思考输出信号led2的变化。概括起来，led2有两种变化点：变0和变1。变0的原因都是计数到6秒时间，也就是add_cnt1 && cnt1==6-1时，led2变0。变1的原因，则是数到9秒时间时，即add_cnt1 && cnt1==9-1时，led2变1。所以led2信号的代码如下：

 

接下来我们思考输出信号led3的变化。概括起来，led3有两种变化点：变0和变1。变0的原因都是计数到10秒时间，也就是add_cnt1 && cnt1==10-1时，led3变0。变1的原因，则是数到14秒时间时，即add_cnt1 && cnt1==14-1，也就是end_cnt1时，led3变1。所以led3信号的代码如下：

 

此次，主体程序已经完成。接下来是将module补充完整。

将module的名称定义为huxiled。并且我们已经知道该模块有六个信号：clk、rst_n、led0、led1、led2、led3。为此，代码如下：

 

其中clk、rst_n是输入信号，led0、led1、led2、led3是输出信号，并且六个信号都是1比特的，根据这些信息，我们补充输入输出端口定义。代码如下：

 

接下来定义信号类型。

cnt0是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt0计数的最大值为500_000_000，需要用29根线表示，即位宽是29位。因此代码如下：

 

add_cnt0和end_cnt0都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：

 

cnt1是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt1计数的最大值为8，需要用4根线表示，即位宽是4位。因此代码如下：

 

add_cnt1和end_cnt1都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1根线表示即可。因此代码如下：

 

led0、led1、led2、led3是用always方式设计的，因此类型为reg。并且其值是0或者1，1根线表示即可。因此代码如下：

 

至此，整个代码的设计工作已经完成。下一步是新建工程和上板查看现象。

四、综合工程和上板

新建工程

首先在d盘中创建名为“huxiled”的工程文件夹，将写的代码命名为“huxiled.v”,顶层模块名为“huxiled”。

 

 

然后打开Quartus ，点击File下拉列表中的New Project Wzard...新建工程选项。

 

3.再出现的界面中直接点击Next。

 

4.之后出现的是工程文件夹、工程名、顶层模块名设置界面。按照之前的命名进行填写，然后点击Next。

 

5.之后是文件添加界面。点击红色箭头处，添加之前写的“huxiled.v”文件，点击右侧的“Add”按钮，之后文件还会出现在黑色箭头处，点击，之后点击“Next”。

 

器件型号选择界面。在上方红色箭头处选择Cyclone E，在中间红色箭头处选择EP4CE6F17C8，然后点击“Next”。

 

EDA工具界面。直接点击“Next”。

 

8.之后出现的界面，点击“Finish”。

 

综合

1.新建工程步骤完成后，就会出现以下界面。选中要编译的文件，点击编译按钮。

 

2.编译成功后会出现一下界面，点击“OK”。

 

配置管脚

1.点击箭头所指的管脚配置按钮。

 

2.下图是我们要用的原理图，其中箭头所指就是我们要配置的六个管脚，分别是clk、rst、led0、led1、led2、led3。

  

3.在下图箭头处双击填上对应的管脚号，回车即可。

 

布局布线

管脚配置完成后，在进行一次编译。

连接开发板

图中，下载器接入电脑USB接口，电源接入电源，然后摁下下方蓝色开关。

 

上板

1.双击箭头所指位置。

 

2.会出现如下界面，点击“Start”，会在“Progress”出显示进度。

 

3.进度条中提示成功后，即可在开发板上观察到相应的现象。