FPGA1位闪烁灯设计[1241003385] - 全文

1位闪烁灯设计一、项目背景

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的芯片，芯片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个芯片被环氧树脂封装起来。

半导体芯片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个芯片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED灯发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。  

最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光视效能的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。

对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nLED灯m。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到白光。

对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。

明德扬的教学板一共有8个可发绿光的LED灯。下面是LED灯的原理图。

左边的LED6~LED13是板子的丝印。右边的LED1~LED8是信号线名，读者在板子上是不可见的。

LED灯一端连着高电平3.3V，另一端是信号线LED1~LED8。如果LED1~LED8是高电平，则电流不导通，那么LED灯则不会发光。如果LED1~LED8是低电平，则电流会导通，那么LED灯就发光。所以LED灯发不发光，是取决于信号LED1~LED8是处于什么电平。

信号线LED1~LED8又连到哪里呢？搜索下原理图文档，可以发现这些信号是连到FPGA的管脚上的。

下面信号线和FPGA管脚的连接图，例如信号线LED1是连接到FPGA的AA4管脚上。

  

教学板丝印

    

信号线

 

FPGA管脚

 

LED1

 

LED1

 

AA4

 

LED2

 

LED2

 

AB4

 

LED3

 

LED3

 

AA5

 

LED4

 

LED4

 

AB6

 

LED5

 

LED5

 

AA10

 

LED6

 

LED6

 

AB13

 

LED7

 

LED7

 

AB14

 

LED8

 

LED8

 

AB16

 

LED1~LED8分别与FPGA的8个管脚相连，所以LED1~LED8处于什么电平，即LED灯是否要发光，就取决于FPGA管脚的输出了。

例如FPGA管脚AB14连到LED7上。要控制这个灯的亮灭，FPGA只需要将管脚AB14输出为低高就可以了。当输出为高电平时，LED7灯为灭，当输出为低电平时，LED7灯为暗。8个LED灯都可由FPGA独立控制。

二、设计目标

本工程使用1个LED灯---LED1，实现一个闪烁灯的功能。工程的工作时钟是50M，也就是时钟周期为20ns。当管脚AA4输出低电平时，LED1灯亮，输出高电平时，LED1灯灭。具体功能要求是：隔1秒，亮N秒。N的变化是：1，2，3，---，9秒，然后再次循环。下面是波形图：

上板效果图如下图所示。

上板的演示视频，请登陆网址查看：。

三、模块设计

我们先分析一下板子上的LED灯。要控制1个LED灯亮和灭，那就FPGA需要产生一个信号，假定为led，这个信号连接到led灯上。要让LED灯灭，FPGA将信号led输出为1；要让LED灯亮，FPGA将信号led输出为0。

综上所述，我们这个工程需要三个信号，时钟clk，复位rst_n和输出信号led。

我们再分析一下功能需求，LED灯的变化规律是暗1秒，亮N秒，其中N的变化是：1，2，3，---，9秒，然后再次循环。从现象转化成信号，其实就是信号led=1持续1秒，然后led=0持续N秒，其中N的变化是：1，2，3，---，9秒。波形示意图如下：

上图就是led信号的变化波形图。在第1次时，led=1并持续1秒，然后led=0并持续1秒，共2秒时间；在第2次时，led=1并持续1秒，然后led=0并持续2秒，共3秒时间；以此类推，第9次时，led=1并持续1秒，然后led=0并持续9秒，共10秒时间。然后又再次重复。

由波形图可知，我们需要1个计数器用来计算时间，如2秒、3秒等。本工程的工作时钟是50MHz，即周期为20ns，计数器计数到2_000_000_000/20=100_000_000个，我们就能知道2秒时间到了。以此类推，在第2次时，数到150_000_000个，就知道了3秒时间到。第9次时，数到500_000_000个，就表示10秒时间到。另外，由于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：assignadd_cnt==1。综上所述，结合变量法，该计数器的代码如下。

其中x表示该计数器cnt0要数的个数。该值如何定义，后面再思考。

再次观察波形图，我们发现有第1次，第2次直到第9次的字，说明这还需要另外一个计数器来表示第几次。该计数器表示次数，自然是一次完成了就加1，因为加1条件可为end_cnt0。该计数器一共要数9次。所以代码为：

有了两个计数器，我们来思考输出信号led的变化。概括起来，led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cnt0数到1_000_000_000/20=50_000_000个时，led变0。变1的原因，都是计数时间到了，即end_cnt0。所以led信号的代码如下：

最后我们再来思考变量x，我们在讨论计数器cnt0的时候，曾经说过“计数器计数到2_000_000_000/20=100_000_000个，我们就能知道2秒时间到了。以类类推，在第2次时，数到150_000_000个，就知道了3秒时间到。第9次时，数到500_000_000个，就表示10秒时间到。”可以看到，cnt0要数多少个是跟第几次有关系的。第1次，数100_000_000个，第2次数150_000_000个。也就是与cnt1有关。因此x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my_led。并且我们已经知道该模块有三个信号：clk、rst_n和led。为此，代码如下：

其中clk、rst_n是输入信号，led是输出信号，并且三个信号都是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：

led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：

x是用always方式设计的，因此类型为reg。并且其值是最大是500_000_000，需要29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。