Vivado 下 LED 灯闪烁实验

目录

Vivado 下 LED 灯闪烁实验

1、简介

2、实验环境

3、实验任务

4、硬件设计

5、程序设计

5.1、LED 闪烁模块代码

5.2、Vivado 仿真验证

5.2.1、编写 TB 仿真代码

6、下载验证

6.1、添加约束文件 .xdc

6.2、下载验证

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！！！

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Vivado 下 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 FPGA 的精彩世界。

1、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 7.1.1 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 7.1.2 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。

       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。

2、实验环境

• Windows 10  64 位
• vivado 2020.2
• Xinlinx 黑金 FPGA 开发板（AX7A035t 开发板、AX7A100t 开发板、AX7A200t 开发板）

3、实验任务

       本节实验任务是使用 Xinlinx 黑金 FPGA 开发版上的 LED0 和 LED1 以固定的频率交替闪烁。

4、硬件设计

       四个 LED 灯均有连接三极管，这是由于 LED0~LED3 连接到了 FPGA 的 IO，但是电压只有 1.35V，电压较低，所以此处连接三极管，起到放大信号的作用。当 FPGA 输出 LED0~LED3 为高电平时，三极管导通，点亮 LED 灯；当 FPGA 输出 LED0~LED3 为低电平时，三极管截止，LED 灯熄灭。

5、程序设计

       由于发光二极管的阳极与 FPGA 的管脚相连，只需要改变与 LED 灯相连的 FPGA 管脚的电平，LED 灯的亮灭状态就会发生变化。当 FPGA 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：

       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。

5.1、LED 闪烁模块代码

LED 闪烁模块的代码如下：

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/05/09 19:57:15
// Design Name: 
// Module Name: led_twinkle
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//


module led_twinkle(
//    input               sys_clk,       //50MHz系统时钟
    //differential system clocks//200MHz系统时钟
    input               sys_clk_p,       //system clock positive
    input               sys_clk_n,       //system clock negative
    input               sys_rst_n, //系统复位，低电平有效
    
    output [1:0] led //2位LED灯
    );
    
//FPGA板载50MHz时钟，所以一个时钟周期为：1/50MHz=20ns，
//计数器通过对50MHz系统时钟计数，计时到0.5s，需要累加0.5s/20ns=25000_000次。

//黑金Artix7A35t板载200MHz时钟，所以一个时钟周期为：1/200MHz=5ns，
//计时到0.5s，需要累加0.5s/5ns=100_000_000次。
   
//define the time counter
reg [31:0] cnt;  

//*********差分时钟这么处理***START******************
wire        sys_clk;
//差分输入时钟缓冲器-黑金FPGA
IBUFDS sys_clk_ibufgds //generate single end clock
(
	.O                          (sys_clk                  ),
	.I                          (sys_clk_p                ),
	.IB                         (sys_clk_n                )
);
//*********差分时钟这么处理*****END*******************

//************************************************
//**           main code
//************************************************

//对计数器的值进行判断，以输出LED的状态
assign led = (cnt<32'd10000_0000)?2'b01:2'b10;
//assign led = (cnt<32'd5)?2'b01:2'b10; //仅用于仿真

//计数器在0~5000_0000之间进行计数
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if(!sys_rst_n)
        cnt<=32'd0;
    else if(cnt<32'd20000_0000)
    //else if(cnt<32'd10) //仅用于仿真
        cnt<=cnt+1'b1;
    else
         cnt<=32'd0;
end
    
endmodule

       本程序中输入时钟为 200MHz，所以一个时钟周期为 5ns（1/200MHz）。因此计数器 cnt 通过对 200MHz 系统时钟计数，计时到 1s，需要累加 1s/5ns=20000_0000 次。在代码第 67 行，每当计时到 1s 计数器清零一次。
       同时，在代码的第 58 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 32'd1000_0000 即计时到 1s 中的前 500ms 时，LED0 点亮 LED1 熄灭；当计数值大于等于 32'd1000_0000，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。

5.2、Vivado 仿真验证

       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：

        因为本实验我们只有系统时钟和系统复位这两个输入信号，以及两个LED 灯输出信号，所以仿真文件也只需要编写这四个信号的激励即可。

5.2.1、编写 TB 仿真代码

Testbench 模块仿真代码如下：

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/05/09 20:40:24
// Design Name: 
// Module Name: tb_led_twinkle
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//


module tb_led_twinkle();      //测试模块

//parameter T = 20; //50Mhz系统时钟,周期为20ns
parameter T = 5;  //黑金FPGA-差分时钟：200Mhz系统时钟，周期为5ns

//输入
//reg         sys_clk;
reg         sys_clk_p;   //时钟信号
wire        sys_clk_n;
reg         sys_rst_n;

//输出
wire    [1:0]   led;

//***************************************
//**        main code
//***************************************

//信号初始化
initial begin
//    sys_clk = 1'b0;
    sys_clk_p = 1'b0;
    sys_rst_n = 1'b0;
    #200    //延时200ns
    sys_rst_n = 1'b1;
end

//生成时钟
//always #(T/2) sys_clk =~sys_clk;
always #(T/2) sys_clk_p =~sys_clk_p;
assign sys_clk_n=~sys_clk_p;

//实例化待测设计
led_twinkle u_led_twinkle(
//    .sys_clk        (sys_clk),
	  .sys_clk_p      (sys_clk_p), 
	  .sys_clk_n      (sys_clk_n),
    .sys_rst_n      (sys_rst_n),
    .led            (led)
    );

endmodule

仿真得到的波形图如下图所示：

       从图中可以看到，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。

6、下载验证

6.1、添加约束文件 .xdc

添加约束文件 led_twinkle.xdc，添加约束文件.xdc 的详细步骤见： Vivado 下 LED 流水灯实验_OliverH-yishuihan的博客-CSDN博客 中的 “4.3、添加 XDC管脚约束文件”

约束文件 breath_led.xdc 的具体内容如下：

############## clock define 时钟引脚、电平信号约束#####黑金-FPGA##################
create_clock -period 5.000 [get_ports sys_clk_p]
set_property PACKAGE_PIN R4 [get_ports sys_clk_p]
set_property IOSTANDARD DIFF_SSTL15 [get_ports sys_clk_p]
############## reset key define##########################
set_property -dict {PACKAGE_PIN F15 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports sys_rst_n]
############## LED define ############################
set_property -dict {PACKAGE_PIN L13 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports {led[0]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN M13 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports {led[1]}]
##############SPI Configurate Setting##################
set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 4 [current_design]
set_property CONFIG_MODE SPIx4 [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 50 [current_design]

6.2、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。

       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：

       经过前面的编译和仿真，我们可以把 bit 文件下载到 FPGA 芯片中，看一下 LED 实际运行的效果（两个 LED 灯交替闪烁）。下载和调试之前先连接硬件，把 JTAG 下载器和开发板连接（如下图是 AX7A200 开发板 JTAG 连接 作为参考），然后开发板上电。

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！！！

详细步骤见：“ Vivado 下 LED 流水灯实验_OliverH-yishuihan的博客-CSDN博客” 中的 “4.6 下载和调试”、“4.7、FLASH 程序固化”