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1 項目背景 LED（Light Emitting Diode），發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。 半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個P-N結。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED燈發光的原理。而光的波長也就是光的顏色，是由形成P-N結的材料決定的。 LED可以直接發出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。 最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產生了很好的經濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光視效能的140瓦白熾燈作為光源，它產生2000流明的白光。經紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內，共耗電14瓦，即可產生同樣的光效。汽車信號燈也是LED光源應用的重要領域。 對于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發白光的LED開發成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發藍光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫燒結制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發后發出黃色光射，峰值550nLED燈m。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發出的黃光混合，可以得到白光。 對于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學組成和調節熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。這種通過藍光LED得到白光的方法，構造簡單、成本低廉、技術成熟度高，因此運用最多。 明德揚的教學板一共有8個可發綠光的LED燈。下面是LED燈的原理圖。 左邊的LED1~LED8是板子上LED燈的絲印。右邊的LED1~LED8_NET是信號線名，讀者在板子上是看不到這些信號線的。 LED燈一端連著高電平3.3V，另一端是信號線LED1~LED8_NET。如果LED1~LED8_NET是高電平，則電流不導通，那么LED燈則不會發光。如果LED1~LED8_NET是低電平，則電流會導通，那么LED燈就發光。所以LED燈發光與否，取決于信號LED1~LED8_NET處于什么電平。 信號線LED1~LED8_NET又連到哪里呢？搜索下原理圖文檔，可以發現這些信號是連到FPGA的管腳上的。 下面信號線和FPGA管腳的連接圖，例如信號線LED1是連接到FPGA的AA4管腳上。 LED1~LED8_NET分別與FPGA的8個管腳相連，所以LED1~LED8_NET處于什么電平，即LED燈是否要發光，就取決于FPGA管腳的輸出了。 例如FPGA管腳AB14連到LED7上。要控制這個燈的亮滅，FPGA只需要將管腳AB14輸出為低高就可以了。當輸出為高電平時，LED7燈為滅，當輸出為低電平時，LED7燈為暗。8個LED燈都可由FPGA獨立控制。 2設計目標 本工程使用1個LED燈---LED1，實現一個閃爍燈的功能。工程的工作時鐘是50M，也就是時鐘周期為20ns。當管腳AA4輸出低電平時，LED1燈亮，輸出高電平時，LED1燈滅。具體功能要求是：隔1秒，亮N秒。N的變化是：1，2，3，---，9秒，然后再次循環。下面是波形圖： 上板效果圖如下圖所示： 3設計實現3.1 頂層信號 新建目錄：D:\mdy_book\my_led。在該目錄中，新建一個名為my_led.v的文件，并用GVIM打開，開始編寫代碼。 我們先分析一下板子上的LED燈。要控制1個LED燈亮和滅，那就FPGA需要產生一個信號，假定為led，這個信號連接到led燈上。要讓LED燈滅，FPGA將信號led輸出為1；要讓LED燈亮，FPGA將信號led輸出為0。下面表格表示了硬件電路圖的連接關系。 綜上所述，我們這個工程需要三個信號，時鐘clk，復位rst_n和輸出信號led。將module的名稱定義為my_led，為此，代碼如下： 綜上所述，我們這個工程需要三個信號，時鐘clk，復位rst_n和輸出信號led。將module的名稱定義為my_led，為此，代碼如下： 其中clk、rst_n是輸入信號，led是輸出信號，并且三個信號都是1比特的，根據這些信息，我們補充輸入輸出端口定義。代碼如下： 3.2 信號設計 我們再分析一下功能需求，LED燈的變化規律是暗1秒，亮N秒，其中N的變化是：1，2，3，---，9秒，然后再次循環。從現象轉化成信號，其實就是信號led=1持續1秒，然后led=0持續N秒，其中N的變化是：1，2，3，---，9秒。波形示意圖如下： 上圖就是led信號的變化波形圖。在第1次時，led=1并持續1秒，然后led=0并持續1秒，共2秒時間；在第2次時，led=1并持續1秒，然后led=0并持續2秒，共3秒時間；以此類推，第9次時，led=1并持續1秒，然后led=0并持續9秒，共10秒時間。然后又再次重復。 由波形圖可知，我們需要1個計數器用來計算時間，如2秒、3秒等。本工程的工作時鐘是50MHz，即周期為20ns，計數器計數到2_000_000_000/20=100_000_000個，我們就能知道2秒時間到了。以此類推，在第2次時，數到150_000_000個，就知道了3秒時間到。第9次時，數到500_000_000個，就表示10秒時間到。另外，由于該計數器是不停地計數，永遠不停止的，可以認為加1條件一直有效，可寫成：assignadd_cnt==1。綜上所述，結合變量法，該計數器的代碼如下。 其中x表示該計數器cnt0要數的個數。該值如何定義，后面再思考。 再次觀察波形圖，我們發現有第1次，第2次直到第9次的字，說明這還需要另外一個計數器來表示第幾次。該計數器表示次數，自然是一次完成了就加1，因為加1條件可為end_cnt0。該計數器一共要數9次。所以代碼為： 有了兩個計數器，我們來思考輸出信號led的變化。概括起來，led有兩種變化點：變0和變1。變0的原因都是計數到1秒時間，也就是cnt0數到1_000_000_000/20=50_000_000個時，led變0。變1的原因，都是計數時間到了，即end_cnt0。所以led信號的代碼如下： 最后我們再來思考變量x，我們在討論計數器cnt0的時候，曾經說過“計數器計數到2_000_000_000/20=100_000_000個，我們就能知道2秒時間到了。以類類推，在第2次時，數到150_000_000個，就知道了3秒時間到。第9次時，數到500_000_000個，就表示10秒時間到。”可以看到，cnt0要數多少個是跟第幾次有關系的。第1次，數100_000_000個，第2次數150_000_000個。也就是與cnt1有關。因此x的代碼如下： 此次，主體程序已經完成。接下來是將module補充完整。 3.3 信號定義 接下來定義信號類型。 cnt0是用always產生的信號，因此類型為reg。cnt0計數的最大值為500_000_000，需要用29根線表示，即位寬是29位。 因此代碼如下： add_cnt0和end_cnt0都是用assign方式設計的，因此類型為wire。并且其值是0或者1，1個線表示即可。因此代碼如下： cnt1是用always產生的信號，因此類型為reg。cnt1計數的最大值為8，需要用4根線表示，即位寬是4位。因此代碼如下： add_cnt1和end_cnt1都是用assign方式設計的，因此類型為wire。并且其值是0或者1，1根線表示即可。因此代碼如下： led是用always方式設計的，因此類型為reg。并且其值是0或者1，1根線表示即可。因此代碼如下： x是用always方式設計的，因此類型為reg。并且其值是最大是500_000_000，需要29根線表示即可。因此代碼如下： 至此，整個代碼的設計工作已經完成。下一步是新建工程和上板查看現象。 4 綜合與上板4.1 新建工程 首先在d盤中創建名為“my_led”的工程文件夾，將寫的代碼命名為“my_led.v”,頂層模塊名為“my_led” 然后打開Quartus Ⅱ，點擊File下拉列表中的New Project Wzard...新建工程選項： 3.再出現的界面中直接點擊Next。 4.之后出現的是工程文件夾、工程名、頂層模塊名設置界面。按照之前的命名進行填寫，然后點擊Next,在出現的界面再點擊next。 5.之后是文件添加界面。添加之前寫的“my_led.v”文件，點擊右側的“Add”按鈕，之后文件會在下方顯示出來，之后點擊“Next” 器件型號選擇界面。選擇Cyclone ⅣE，在芯片型號選擇處選擇EP4CE15F23C8，然后點擊“Next”。 EDA工具界面。直接點擊“Next” 8.之后出現的界面，點擊“Finish”。 4.2 綜合 1.新建工程步驟完成后，就會出現以下界面。選中要編譯的文件，點擊編譯按鈕。 2.編譯成功后會出現一下界面 4.3 配置管腳 在菜單欄中，選中Assignments，然后選擇Pin Planner，就會彈出配置管腳的窗口。 在配置窗口最下方中的location一列，參考下表中最右兩列配置好FPGA管腳。 配置完成后，關閉Pin Planner，軟件自動會保存管腳配置信息。 4.4 再次綜合 在菜單欄中，選中Processing，然后選擇Start Compilation，再次對整個工程進行編譯和綜合。 出現上面的界面，就說明編譯綜合成功。 4.5 連接開發板 圖中，下載器接入電腦USB接口，電源接入電源，然后摁下下方藍色開關。 4.6 上板 1.單擊以下界面中的。 2.會出現如下界面，點擊add file添加.sof文件，點擊“Start”，會在“Progress”出顯示進度。 3.進度條中提示成功后，即可在開發板上觀察到相應的現象。 |
