[FPGA] 明德扬FPGA项目实践1位闪烁灯设计

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 楼主 | 2018-11-7 09:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
1 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晶片,晶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,使整个晶片被环氧树脂封装起来。

      半导体晶片由两部分组成,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晶片的时候,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LED1~LED8是板子上LED灯的丝印。右边的LED1~LED8_NET是信号线名,读者在板子上是看不到这些信号线的。

      LED灯一端连着高电平3.3V,另一端是信号线LED1~LED8_NET。如果LED1~LED8_NET是高电平,则电流不导通,那么LED灯则不会发光。如果LED1~LED8_NET是低电平,则电流会导通,那么LED灯就发光。所以LED灯发光与否,取决于信号LED1~LED8_NET处于什么电平。



      信号线LED1~LED8_NET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。


      LED1~LED8_NET分别与FPGA的8个管脚相连,所以LED1~LED8_NET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。

2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:


3设计实现
3.1 顶层信号
      新建目录:D:\mdy_book\my_led。在该目录中,新建一个名为my_led.v的文件,并用GVIM打开,开始编写代码。

       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。下面表格表示了硬件电路图的连接关系。



      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。将module的名称定义为my_led,为此,代码如下:


      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。将module的名称定义为my_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:


3.2  信号设计
      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。

3.3  信号定义
      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。

4    综合与上板
4.1 新建工程
      首先在d盘中创建名为“my_led”的工程文件夹,将写的代码命名为“my_led.v”,顶层模块名为“my_led”



​      然后打开Quartus Ⅱ,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,在出现的界面再点击next。



​      5.之后是文件添加界面。添加之前写的“my_led.v”文件,点击右侧的“Add”按钮,之后文件会在下方显示出来,之后点击“Next”


      器件型号选择界面。选择Cyclone ⅣE,在芯片型号选择处选择EP4CE15F23C8,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”。


​4.2  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


4.3  配置管脚

​      在菜单栏中,选中Assignments,然后选择Pin Planner,就会弹出配置管脚的窗口。


​      在配置窗口最下方中的location一列,参考下表中最右两列配置好FPGA管脚。


​      配置完成后,关闭Pin Planner,软件自动会保存管脚配置信息。

4.4   再次综合​

      在菜单栏中,选中Processing,然后选择Start Compilation,再次对整个工程进行编译和综合。​




      出现上面的界面,就说明编译综合成功。

4.5   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。


​4.6   上板
      1.单击以下界面中的。


​      2.会出现如下界面,点击add file添加.sof文件,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。

| 2018-11-7 22:14 | 显示全部楼层
这个讲的详细啊    LED的背景都讲了
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