点亮led灯

正如C程序初学者尝试的第一个程序是写一个“hello World”一样，FPGA初学者的第一个程序一般都为“心跳（heart beat）灯”，也就是通过系统的时钟进行分频，产生周期性的低频信号（高、低电平交替变化驱动LED），控制LED灯的点亮和熄灭。

1. 硬件平台

我们以STEP-MXO2第一代为例，对于其它平台只需要注意其时钟的频率以及管脚的分配。

2. 设计要求

初步了解数字设计的基本思想和开发流程
熟悉Diamond软件和仿真软件的使用方法及流程
控制LED闪烁，闪烁周期为1秒
了解FPGA时钟的使用
了解时钟分频的工作原理

3. 工作原理

按照设计要求，控制LED闪烁的周期为1秒，则LED灯需要点亮0.5s，然后熄灭0.5s，然后点亮0.5s，然后熄灭0.5s，循环执行。

通过上面的分析，我们发现LED的控制信号就是一个周期为1s，占空比为50%的信号，我们可以定义一个寄存器和一个计数器，计数器负责计数满0.5s时寄存器翻转，实现对LED的闪烁控制。

开发板上晶振为25MHz，0.5s对应晶振12500000个周期的时间，所以计数器对晶振信号计数，当计12500000个数时，控制寄存器翻转。

4. 硬件连接

LED也叫发光二极管，可以把电能转化成光能，因为是二极管的一种，由一个PN接组成，具有单向导电性。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流，LED的亮度与电流有关，一般LED能够承受的最大电流为20mA（具体需要看使用的LED的参数），本设计使用的限流电阻为1K。下图为LED的硬件电路：

LED电路连接

本设计中我们只控制LD1(LED)进行闪烁，由上图可知当控制信号LED1端为高电平时D1熄灭，当控制信号LED1端为低电平时LD1点亮。

数码管模块、小脚丫与FPGA的引脚连接关系如下：

LED模块	LED1
FPGA管脚	A3

5. 代码设计

5.1 设计文件

模块框图如下：

我们首先定义一个参数：parameter CNT_NUM = 12500000 ，我们将参数定义放在模块的端口声明中，这样在模块被其他模块调用时可以通过端口重新定义参数的值。

计数器cnt位宽为24， 2^24 = 16777216，大于我们设定的计数终值CNTNUM = 12500000。cnt计数范围为0~（CNTNUM-1），共计12500000个数，0.5s。

然后使用计数器计数触发寄存器信号不断翻转，如下：

reg [23:0] cnt;
reg        clk_div;
always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
	if(!rst_n_in) begin
		cnt <= 24'd0;
		clk_div <= 1;
	end else begin
		if(cnt>=CNT_NUM-1) begin
			cnt <= 24'd0;
			clk_div <= ~clk_div;
		end else cnt <= cnt + 1;
	end
end

5.2 测试文件

测试文件，也称testbench文件，是一种验证的手段，testbench文件在软件环境中模拟实际环境，产生被测模块输入端口需要的激励信号，对被测模块的输出信号分析，达到评估被测模块的目的。

对于测试文件，我们需要提供被测模块（Blink）需要的时钟（sysclk）及复位（sysrst_n），如下：

reg sys_clk;
initial
	sys_clk = 1'b0;
always
	sys_clk = #(CLK_PERIOD/2) ~sys_clk;
 
reg sys_rst_n;  //active low
initial 
	begin
		sys_rst_n = 1'b0;
		#100;
		sys_rst_n = 1'b1;
	end

然后调用被测模块（Blink），注意模块调用时参数的重定义及端口的传递，为了方便仿真，减少仿真时间，我们将设计文件中的计数终值参数（CNT_NUM）在测试文件中重新赋值为10，这样我们在仿真时计数器的计数范围应该为0~9。

模块调用方法如下：

blink #(.CNT_NUM(10)) blink_uut(
                               .clk_in   (sys_clk),
                               .rst_n_in (sys_rst_n),
                               .led_out  (led_out)
                               );

引脚分配如下：

管脚名称	clkin \| rstnin \| ledout
FPGA管脚	C1	B1	A3

6. 仿真结果

7. 资源报告

资源	数量	比例	说明
LUTs	36	3%
寄存器	25	2%
存储器	0	0%
IO管脚	3
时钟频率	25MHz

8. 学习的知识点

LED闪烁原理
FPGA时钟的使用
时钟分频

9. 参考阅读

Lattice MachXO2数据手册

10. 相关设计文档

文件名称	功能
Blink.v	LED闪烁
Blink_test.v	测试文件

11. 扩展实验

XO2 FPGA自带时钟发生器，但其精度较低（5%），对于基本的功能性的实验是够了的，但对于高精度要求的应用，其芯片内部振荡器产生的时钟就无法满足要求，因此在我们的小脚丫开发板上还连接了外部晶振产生的25MHz的时钟信号，在上述的实验中我们采用了25MHz的时钟信号来产生LED的交替控制信号，用户可以尝试采用内部的时钟产生所需要的LED控制信号。

目录