【正点原子FPGA连载】第八章LED灯闪烁实验 -摘自【正点原子】领航者ZYNQ之FPGA开发指南

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第八章LED灯闪烁实验

LED灯闪烁作为一个经典的入门实验，其地位堪比编程界的“Hello，World！”。对于很多电子工程师来说，LED灯闪烁都是他们在硬件上观察到的第一个实验现象。本章我们同样通过LED灯闪烁实验，带你进入ZYNQ的精彩世界。
本章包括以下几个部分：
1.1 LED灯简介
1.2 实验任务
1.3 硬件设计
1.4 程序设计
1.5 下载验证

1.1 LED灯简介
LED，又名发光二极管。LED灯工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光），抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长。由于这些优点，LED灯被广泛用在仪器仪表中作指示灯、液晶屏背光源等诸多领域。
不同材料的发光二极管可以发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白这八种颜色的光。图 7.5.13.1是可以发出黄、红、蓝三种颜色的直插型二极管实物图，这种二极管长的一端是阳极，短的一端是阴极。图 7.5.13.2是开发板上用的贴片二极管实物图。贴片二极管的正面一般都有颜色标记，有标记的那端就是阴极。

图 7.5.13.1 发光二极管实物图

图 7.5.13.2 贴片发光二极管实物图
发光二极管与普通二极管一样具有单向导电性。给它加上阳极正向电压后，通过5mA左右的电流就可以使二极管发光。通过二极管的电流越大，发出的光亮度越强。不过我们一般将电流限定在3~20mA之间，否则电流过大就会烧坏二极管。
1.2 实验任务
本节实验任务是使领航者底板上的PL LED0和PL LED1以固定的频率交替闪烁。
1.3 硬件设计
底板上LED的原理图如下图所示：

图 7.5.13.1 LED灯硬件原理图
在图 7.5.13.1中，PL_LED0和PL_LED1连接到ZYNQ的PL端，PS_LED0和PS_LED1连接到ZYNQ的PS端。在《领航者ZYNQ之FPGA开发指南》中，我们只使用PL端的外设。
PL_LED0和PL_LED1的阴极通过 470 欧姆的电阻连到地（GND）上，阳极由ZYNQ PL的IO管脚控制，LED与地之间的电阻起到限流作用。
本实验中，系统时钟、按键复位以及两个LED端口的管脚分配如下表所示，其中复位按键和两个LED位于底板上，时钟位于核心板上：
表 8.3.1 LED闪烁实验管脚分配
信号名方向管脚端口说明电平标准
sys_clk input U18 系统时钟，50MHz LVCMOS33
sys_rst_n input N16 系统复位按键，低电平有效 LVCMOS33
led[0] output H15 PL_LED0（底板） LVCMOS33
led[1] output L15 PL_LED1（底板） LVCMOS33
对应的XDC约束语句如下所示：

set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN N16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
set_property -dict {PACKAGE_PIN H15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[0]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN L15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[1]}]

1.4 程序设计
由于发光二极管的阳极与ZYNQ的管脚相连，只需要改变与LED灯相连的ZYNQ管脚的电平，LED灯的亮灭状态就会发生变化。当ZYNQ管脚为高电平时，LED灯点亮；为低电平时，LED灯熄灭。
本次设计的模块端口及信号连接如下图所示：

图 7.5.13.1 LED灯模块原理图
其中，计数器对50MHz时钟进行计数，从而达到计时的目的。计数器在每次计时到1秒之后清零，然后重新开始计数，计数的值用于控制LED的显示状态。当计数器的值小于0.5s时，就把LED0点亮并把LED1熄灭；每当计数器的值大于0.5s时，就把LED0熄灭并把LED1点亮，以此实现两个LED的交替闪烁。
LED闪烁模块的代码如下：

1   module  led_twinkle(
2       input          sys_clk  ,  //系统时钟
3       input          sys_rst_n,  //系统复位，低电平有效
4
5       output  [1:0]  led         //LED灯
6   );
7
8   //reg define
9   reg  [25:0]  cnt ;
10
11  //*****************************************************
12  //**                    main code
13  //*****************************************************
14
15  //对计数器的值进行判断，以输出LED的状态
16  assign led = (cnt < 26'd2500_0000) ? 2'b01 : 2'b10 ;
17
18  //计数器在0~5000_000之间进行计数
19  always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
20      if(!sys_rst_n)
21          cnt <= 26'd0;
22      else if(cnt < 26'd5000_0000)
23          cnt <= cnt + 1'b1;
24      else
25          cnt <= 26'd0;
26  end
27
28  endmodule

本程序中输入时钟为50MHz，所以一个时钟周期为20ns（1/50MHz）。因此计数器cnt通过对50MHz系统时钟计数，计时到1s，需要累加1s/20ns=5000_0000次。在代码第23行，每当计时到1s计数器清零一次。
同时，在代码的第16行，对根据计数器的计数值来赋值两个LED的状态。当计数值小于26’d2500_000即计时到1s中的前500ms时，LED0点亮LED1熄灭；当计数值大于等于26’d2500_000，即计时到1s中的后500ms时，LED0熄灭LED1点亮。当计数到1s时，计数器又会回0，重复此过程。以此实现两个LED的交替闪烁。
为了验证我们的程序，我们在Vivado内对代码进行仿真。为了更容易地看到仿真现象，我们将源代码中的计数器的最大计数值修改为5，然后再仿真，如下图所示：

图 7.5.13.2 仅用于仿真的代码
Testbench模块代码如下：

1   `timescale 1ns / 1ps
2
3   module tb_led_twinkle();
4
5   //输入
6   reg           sys_clk;
7   reg           sys_rst_n;
8
9   //输出
10  wire  [1:0]   led;
11
12  //信号初始化
13  initial begin
14      sys_clk = 1'b0;
15      sys_rst_n = 1'b0;
16      #200
17      sys_rst_n = 1'b1;
18  end
19
20  //生成时钟
21  always #10 sys_clk = ~sys_clk;
22
23  //例化待测设计
24  led_twinkle  u_led_twinkle(
25      .sys_clk         (sys_clk),
26      .sys_rst_n       (sys_rst_n),
27      .led             (led)
28      );
29
30  endmodule

仿真得到的波形图如下图所示：

图 7.5.13.3 仿真波形图
从图 7.5.13.3中可以看到，计数器cnt的值在0到10之间循环计数。当cnt的值小于5时，led0为高电平；大于5时led0为高电平。两个LED的状态随着计数器的计数循环翻转，实现LED闪烁的效果。
1.5 下载验证
编译工程并生成比特流.bit文件后，点击Vivado左侧“Flow Navigator”窗口最下面的“Open Hardware Manager”按钮如下图所示。

图 7.5.13.1 Hardware Manager界面
此时将Xilinx下载器一端连接电脑，另一端与开发板上的JTAG下载口连接，开发板连接电源线，如下图所示：

图 7.5.13.2 领航者开发板连接实物图
注意！一定要先把下载器的一端连接到了电脑、另一端连接了JTAG接口之后，再给开发板上电！否则，对开发板的JTAG接口进行带电热插拔，有一定概率会损坏JTAG接口！
开发板连接好电源线和下载器后，打开开发板电源开关，点击“Hardware”窗口中的“Auto Connect”图标，如下图所示：

图 7.5.13.3 “Auto Connect”图标
在“Hardware”子窗口中出现如下界面就表示Vivado就已经和下载器连接成功了，如下图所示：

图 7.5.13.4 与下载器连接成功
我们点击上图中的“Program Device”，弹出的界面如下图所示：

图 7.5.13.5 下载比特流界面
此时Bitstream File一栏会自动识别到工程的比特流文件，我们直接点击“Program”按钮下载程序，程序下载完成后，PL配置完成灯会点亮（LED3），此时我们可以看到位于底板上的两个LED灯在不断地闪烁，如下图所示：

图 7.5.13.6 两个PL LED灯交替闪烁

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