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前言
在FPGA学习中，LED灯实验作为一个经典的入门实验，其地位堪比编程界的“Hello , Word"。对于很多工程师来说，LED灯的亮灭是他们在硬件上观察到的第一个现象。生活当中LED灯的运用也十分广泛，比如报警器，红绿灯等。那么对于FPGA来说，LED灯是如何控制的呢，运用LED灯还可以做那些东西呢，下面我们就用两个小实验对其进行介绍。
一、LED灯简介
LED也叫做发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
LED灯工作电流很小，抗冲击和抗震性能好，可靠性高，使用寿命长。正是由于这些优点，LED灯被广泛运用在仪器仪表中做指示灯、液晶屏幕光源等诸多领域。由于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，所以市面上各种颜色的LED光源均有涉足。
二、LED呼吸灯实验
1.实验目的
LED呼吸灯的原理就是让LED灯在规定的时间进行连续的点亮与熄灭，比如在本次实验中就是让LED灯在1秒内进行亮灭各一次，也就是LED灯亮500ms，灭500ms。在我们的开发板上有4个LED灯可供选择，可以任意选择一个进行控制，在管脚绑定时绑定相应的管脚即可。
2.程序设计
由于人眼的视觉暂留效应，呼吸灯的亮灭状态间隔时间最好不要低于0.1s，否则就不能清晰地观察到效果。这里我们让呼吸灯每间隔0.5s变化一次，在程序设计中运用计数器累加计数来记时，计时达0.5s后计数器清零并重新开始计数，这样就可以得到固定的时间间隔，每当计数器计数满0.5s就让LED灯发光状态改变一次，就得到呼吸灯效果了。
呼吸灯模块代码如下：
/*========================================*
filename : breath_led.v
description : led呼吸灯
time : 2022-11-08
author : 卡夫卡与海
*========================================*/
module breath_led(
input clk ,
input rst_n ,
output reg led
);
//参数定义
parameter TIME_500ms = 25_000_000;//500ms
//信号定义
reg [24:0] cnt_500ms ;//计数器
wire add_cnt_500ms ;
wire end_cnt_500ms ;
//cnt_500ms
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_500ms <= 0;
end
else if(add_cnt_500ms)begin
if(end_cnt_500ms)begin
cnt_500ms <= 0;
end
else begin
cnt_500ms <= cnt_500ms + 1'b1;
end
end
end
assign add_cnt_500ms = 1'b1;
assign end_cnt_500ms = add_cnt_500ms && cnt_500ms == (TIME_500ms - 1);
//led
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
led <= 0;
end
else if(end_cnt_500ms)begin
led <= ~led;
end
end
endmodule测试模块代码如下：
`timescale 1ns/1ns //定义仿真时间单位1ns和仿真时间精度1ns
module breath_led_tb(); //测试模块
reg clk ;//时钟信号
reg rst_n ;//复位信号
wire led ;
//参数定义
parameter CYCLE_CLOCK = 20;//时钟周期为20ns
parameter RST_TIME = 40 ;//复位时间定义
//产生时钟
initial begin
clk = 1'b0;
forever
#(CYCLE_CLOCK/2)
clk = ~clk;
end
//产生复位
initial begin
rst_n = 1'b0;
#(RST_TIME);
rst_n = 1'b1;
#10000;
$stop;
end
//模块例化
breath_led u_breath_led(
/*input */.clk (clk ),
/*input */.rst_n (rst_n),
/*output reg */.led (led )
);
endmodule说明：
本程序中的输入时钟为50MHZ，所以一个时钟周期为20ns。因此计数器在计数0.5s时需要计数25000000个时钟周期，且每当计数器计数到0.5s时计数器进行清零并重新开始计数。同时在计数器计满0.5s时，led灯进行状态切换，这就达到了呼吸灯的实验效果。
3、仿真验证
仿真波形如下：
在这里我是用的Modelsim与Quartus II进行联合仿真的，个人比较习惯将这两个软件关联起来用，这样可以提高开发效率，关于如何将两者进行关联以及如何进行联合仿真，敬请期待后续教程，谢谢！
总结
LED呼吸灯的控制是一个比较简单的实验，逻辑比较简单，所以设计起来思路是比较清晰的，这里由于我缺少开发板硬件，所以就没有进行上板展示效果了。