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【正点原子FPGA连载】第六章LED灯闪烁实验-领航者ZYNQ之FPGA开发指南

2020-9-21 16:52:41  72 正点原子FPGA
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1)实验平台:正点原子领航者ZYNQ开发板
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第六章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:
11.1LED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
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 6.1.1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 6.1.2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。

图 6.1.1 发光二极管实物图


图 6.1.2 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。
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。
硬件设计
底板上LED的原理图如下图所示:

图 6.3.1 LED灯硬件原理图

在图 6.3.1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 6.3.1 LED闪烁实验管脚分配


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 J15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
  • set_property -dict {PACKAGE_PIN J18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[0]}]
  • set_property -dict {PACKAGE_PIN H18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[1]}]
复制代码

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 6.4.1 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 6.4.2 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 6.4.3 仿真波形图

从图 6.4.3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。
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 6.5.1 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 6.5.2 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 6.5.3 “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 6.5.4 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 6.5.5 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 6.5.6 两个PL LED灯交替闪烁




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