【FPGA实验1】FPGA点灯工程师养成记

对于FPGA几个与LED相关的实验（包括按键点灯、流水灯、呼吸灯等）的记录，方便日后查看。这世界上就又多了一个FPGA点灯工程师了😏

一、按键点灯

按键点灯程序比较简单，就不搞仿真了，直接上机

1、按键点灯程序

module led(input wire key_1,output reg led_1);always@*led_1=!key_1;endmodule

由程序得到的RTL图：

2、硬件实现

（1）引脚分配与接线
引脚分配如下，记得引脚分配后再编译一次，不然可能没有现象。

上述引脚分配对应的接线：JX22连接到JP5，JX5连接到JP1。
为什么要这样接线可以参考《【FPGA实验2】二进制转为格雷码》中的【三、实验箱实验】➡️【3、引脚分配】。

（2）实验现象

具体的实验现象可观看下方的视频😏

二、流水灯

学了点状态机的内容，决定用状态机来写一下这个流水灯的代码。
感谢正点原子的视频，用了一个很好理解的例子讲了状态机是怎么样的一个东西，并总结了写状态机主要有四个步骤（也称四段论）：
（1）状态空间定义（定义各个状态）
（2）状态跳转（告诉FPGA：你要跳转。让FPGA知道在什么条件下，你要从现在状态跳转到下一个状态）
（3）下个状态的判断（告诉FPGA：你要怎么跳。给FPGA一个地图，判断现在的情况是什么，然后根据地图确定下一个要跳转的状态）
（4）各个状态下的动作（我理解为状态对应信息的输出）

1、流水灯程序

module WaterLED(input wire clk,input wire rst_n,output wire [7:0]led_data);//空间状态定义parameter S1=8'b10000000;parameter S2=8'b01000000;parameter S3=8'b00100000;parameter S4=8'b00010000;parameter S5=8'b00001000;parameter S6=8'b00000100;parameter S7=8'b00000010;parameter S8=8'b00000001;reg [7:0]current_state;reg[7:0]next_state;//状态跳转always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(! rst_n)   current_state<=S1;  //复位，从状态S1开始else current_state<=next_state; //不是复位的情况下，到达时钟的上升沿就转到下一个状态end//状态判断always @(current_state) begincase(current_state) S1:next_state=S2;S2:next_state=S3;S3:next_state=S4;S4:next_state=S5;S5:next_state=S6;S6:next_state=S7;S7:next_state=S8;default:next_state=S1;endcaseend//各个状态下的动作assign led_data=current_state;endmodule

得到的RTL图如下：

2、仿真

流水灯的仿真程序如下：

`timescale 1ns/100ps
module tb_WaterLED;reg clk_1;reg rst_n_1;wire [7:0] led_data_1;parameter PERIOD=10;always #(PERIOD/2) clk_1=~clk_1;initial beginclk_1=0;#200  $stop;endtask task_rst;begin rst_n_1=0;repeat(2) @(negedge clk_1);//两个时钟负跳变之后rst_n_1=1;endendtaskWaterLED WD_1(.clk(clk_1),.rst_n(rst_n_1),.led_data(led_data_1));initial begintask_rst;$display("task_rst ok!!!");endendmodule

【如何将仿真程序加入到工程中以及如何仿真可以看上一篇《【FPGA实验0】Quartus建立工程文件以及仿真》）】

仿真结果如下：
在两个时钟下降沿之后，复位线RST置高；之后随着每一个时钟上升沿的到来，开始状态的转换。

3、硬件实现

在实际的硬件实现中，需要注意两个点：

（1）时钟信号
在仿真中，两个状态之间的切换是在时钟信号的上升沿，因而，每个状态保持的时间是一个时钟信号周期（在上的仿真中，一个时钟信号的周期是10ns）。而如果在实际中要实现流水灯的效果，这样的间隔太小了，由于眼睛的暂存作用，我们看懂的现象是8个LED灯一直在同时亮着，没有流水灯的效果，因而我们必须将时钟周期改得大一点。

选择实验箱最大时钟12MHz（接线的话将左侧12M对应的时钟和右侧的任意一个引脚接起来即可），定义一个计数器，计数2400000个时钟周期，一个时钟频率为12MHz，一个时钟周期为83.33ns，2400000个时钟周期就是0.2秒。

	reg [23:0] counter;	//计数器对系统时钟计数，计时0.2秒always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n)counter <= 24'd0;else if (counter < 24'd2400_000)  //仿真的时候可以改为 24'd0000_0010,下同counter <= counter + 1'b1;elsecounter <= 24'd0;end

同时，状态跳变部分增加一个条件，修改为：

//状态跳转
always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(! rst_n)   current_state<=S1;  //复位，从状态S1开始else if (counter==24'd2400_000) current_state<=next_state; //不是复位的情况下，到达时钟的上升沿就转到下一个状态else   ;
end

（2）复位键如何使用

复位键一开始需要置1（打到开的位置）；
之后置0（下降沿产生出发条件；同时！rst=0，状态为初始状态S1）；
完成复位后置1（使此刻的状态在触发之后能跳转到下一个状态）。

整个硬件实现的程序：

module WaterLED(input wire clk,input wire rst_n,output wire [7:0]led_data);//空间状态定义parameter S1=8'b10000000;parameter S2=8'b01000000;parameter S3=8'b00100000;parameter S4=8'b00010000;parameter S5=8'b00001000;parameter S6=8'b00000100;parameter S7=8'b00000010;parameter S8=8'b00000001;reg [7:0]current_state;reg[7:0]next_state;reg [23:0] counter;//计数器对系统时钟计数，计时0.2秒always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n)counter <= 24'd0;else if (counter < 24'd2400_000)  //仿真的时候可以改为 24'd0000_0010,下同counter <= counter + 1'b1;elsecounter <= 24'd0;end//状态跳转always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(! rst_n)   current_state<=S1;  //复位，从状态S1开始else if (counter==24'd2400_000) current_state<=next_state; //不是复位的情况下，到达时钟的上升沿就转到下一个状态else   ;end//状态判断always @(current_state) begincase(current_state) S1:next_state=S2;S2:next_state=S3;S3:next_state=S4;S4:next_state=S5;S5:next_state=S6;S6:next_state=S7;S7:next_state=S8;default:next_state=S1;endcaseend//各个状态下的动作assign led_data=~current_state;//灯为0时亮起，为1时变暗endmodule

对应的RTL图：

引脚分配与接线：

按之前的接线即可，key8为复位键。

上述引脚分配对应的接线：JX22连接到JP5，JX5连接到JP1。
为什么要这样接线可以参考《【FPGA实验2】二进制转为格雷码》中的【三、实验箱实验】➡️【3、引脚分配】。

时钟引脚：左侧的12M时钟引脚接到右侧任意一个引脚即可。总的接线图如下：

具体现象可以看文末的视频😏

三、呼吸灯

呼吸灯，就是灯的亮度由暗变亮再由亮变暗，像人的呼吸一样。

1、先“吸”

（1）代码

module PWM(           input wire clk,output wire[9:0] pwma,output wire pwmb);reg [3:0]counter1=0,counter2=0;reg [9:0]pwm_1=10'b0000_0000_00;reg[0:0] pwm_2;always@(posedge clk) beginif(counter2==4'd9)  beginif(counter1==4'd9)  begincounter1=0;pwm_1=10'b0000_0000_00;					endelse  counter1=counter1+1;							pwm_1[counter1]=1;counter2=0;endelse counter2=counter2+1;pwm_2=pwm_1[counter2];endassign pwma=pwm_1;assign pwmb=pwm_2;endmodule

（2）仿真文件：

`timescale 1ns/100ps
module tb_PWM;reg clk;wire [9:0]pwma;wire [0:0]pwmb;parameter PERIOD=10;always #(PERIOD/2) clk=~clk;initial beginclk=0;# 3000 $stop;endPWM PWM_1(.clk(clk),.pwma(pwma), .pwmb(pwmb));endmodule

（3）仿真结果：

2、再“呼吸”

（1）代码

module PWM(input wire clk,output wire[9:0] pwma,output wire pwmb);reg [4:0]counter1=0;reg [3:0]counter2=0;reg [9:0]pwm_1=10'b0000_0000_00;reg[0:0] pwm_2;always@(posedge clk) beginif(counter2==4'd9)  beginif(counter1==5'd17)   counter1=0;else  counter1=counter1+1;	$display("counter1:   ",counter1);case(counter1)5'd0  : pwm_1=10'b0000_0000_01;5'd1  : pwm_1=10'b0000_0000_11;5'd2  : pwm_1=10'b0000_0001_11;5'd3  : pwm_1=10'b0000_0011_11;5'd4  : pwm_1=10'b0000_0111_11;5'd5  : pwm_1=10'b0000_1111_11;5'd6  : pwm_1=10'b0001_1111_11;5'd7  : pwm_1=10'b0011_1111_11;5'd8  : pwm_1=10'b0111_1111_11;5'd9  : pwm_1=10'b1111_1111_11;5'd10  : pwm_1=10'b0111_1111_11;5'd11  : pwm_1=10'b0011_1111_11;5'd12  : pwm_1=10'b0001_1111_11;5'd13  : pwm_1=10'b0000_1111_11;5'd14  : pwm_1=10'b0000_0111_11;5'd15  : pwm_1=10'b0000_0011_11;5'd16  : pwm_1=10'b0000_0001_11;5'd17  : pwm_1=10'b0000_0000_11;endcase$display("pwm_1:  ",pwm_1);counter2=0;endelse counter2=counter2+1;pwm_2=pwm_1[counter2];endassign pwma=pwm_1;assign pwmb=pwm_2;endmodule

（2）tb文件：

`timescale 1ns/100ps
module tb_PWM;reg clk;wire [9:0]pwma;wire [0:0]pwmb;parameter PERIOD=10;always #(PERIOD/2) clk=~clk;initial beginclk=0;# 3000 $stop;endPWM PWM_1(.clk(clk),.pwma(pwma), .pwmb(pwmb));endmodule

（3）仿真结果：

3、最后大口地呼吸

呼吸灯的硬件实现，和流水灯的硬件实现一样原理，如果每个亮度的时间跟仿真的时候一样的话，那我们是看不出亮度变化，所以在硬件实现的时候需要在每一个亮度延长一定的时间。具体的实现如下：

（1）代码：

module PWM(input wire clk,output wire led0,output wire led1,output wire led2,output wire led3,output wire led4,output wire led5,output wire led6,output wire led7);reg [4:0]counter1=0;reg [3:0]counter2=0;reg [9:0]pwm_1=10'b0000_0000_00;reg[0:0] pwm_2;reg [20:0] cnt_base;parameter T_6ms = 21'd2000_000;always @(posedge clk ) beginif(cnt_base < T_6ms - 1'b1)begincnt_base <= cnt_base + 1'b1;pwm_2<=pwm_1[cnt_base%10];endelse begincnt_base <= 21'd0;if(counter1==5'd17)   counter1=0;else  counter1=counter1+1;	case(counter1)5'd0  : pwm_1=10'b0000_0000_01;5'd1  : pwm_1=10'b0000_0000_11;5'd2  : pwm_1=10'b0000_0001_11;5'd3  : pwm_1=10'b0000_0011_11;5'd4  : pwm_1=10'b0000_0111_11;5'd5  : pwm_1=10'b0000_1111_11;5'd6  : pwm_1=10'b0001_1111_11;5'd7  : pwm_1=10'b0011_1111_11;5'd8  : pwm_1=10'b0111_1111_11;5'd9  : pwm_1=10'b1111_1111_11;5'd10  : pwm_1=10'b0111_1111_11;5'd11  : pwm_1=10'b0011_1111_11;5'd12  : pwm_1=10'b0001_1111_11;5'd13  : pwm_1=10'b0000_1111_11;5'd14  : pwm_1=10'b0000_0111_11;5'd15  : pwm_1=10'b0000_0011_11;5'd16  : pwm_1=10'b0000_0001_11;5'd17  : pwm_1=10'b0000_0000_11;endcaseendendassign led0=pwm_2;assign led1=pwm_2;assign led2=pwm_2;assign led3=pwm_2;assign led4=pwm_2;assign led5=pwm_2;assign led6=pwm_2;assign led7=pwm_2;endmodule

（2）对应的RTL图：

（3）引脚分配与接线

接线同上流水灯的接线。

（4）实验现象：
具体实验现象可以看文末😏

FPGA点灯工程师养成记

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