《FPGA全程进阶---实战演练》第五章 基于74HC595的LED操作

Posted 2020-08-02 raymon_tec

1基础理论部分

1.1分频

  分频，是的，这个概念也很重要。分频是指将一单一频率信号的频率降低为原来的1/N，就叫N分频。实现分频的电路或装置称为“分频器”，如把33MHZ的信号2分频得到16.5MHZ的信号，3分频得到11MHZ的信号，10分频得到3.3MHZ的信号。

  分频主要是相对于主晶振来说，用不到那么高的频率，开发板一般根据具体需要会加入晶振，一般若是功耗较高可选用50MHz，其他情况可以相对调整，如24MHz等等。那么分频的典型应用，二分频，四分频，八分频，还有任意分频。

  对于分频，我们可以利用quartus ii 自带的PLL进行分频，这样会占用一定的资源，也可以利用计数器实现一定的分频，注意，FPGA中不同于其他的CPU，没有计时器的概念，只有计数器。

1.2 LED

  LED（light emitting diode），发光二极管，简称LED，是一种能够将电能转化成可见光的固态的半导体器件，可以直接把电转换成光。可以用在电路及仪器中作指示灯，或者组成文字或数字显示等。有不同化合物制成的二极管如砷，镓，磷等化合物制成，不同的化合物组合会显示不同颜色的光。

  在设计LED的驱动电路时，不能直接接到3.3V或者5V来点亮，LED有额定电流，超过这个额定电流，LED就会烧掉，反接也会烧掉。一般的LED的额定电流从10mA~1A不等。FPGA开发采用的LED主要是贴片0805或者0603等，额定电路一般从10mA~30mA.

1.3 74HC595

  开发板上面的LED控制是用串入并出/串出的移位寄存器74HC595芯片，芯片在电路中的接入情况如图5.1所示,实物图如图5.2所示。其中MR引脚直接接高电平，不进行复位。串出引脚9不接，不进行串出引脚的使用。输出使能引脚13直接接地，手册上建议。11和12引脚分别为移位寄存器时钟输入和存储时钟输入，分别引出。

图5.1 LED部分电路图

图5.2 实物图

2 verilog代码实现部分

2.1 74HC595 控制部分

  14行定义了一个全局参数WIDTH = 8，用来控制程序下面所有的有关于数量的使用。

  59行和60行分别定义了时钟信号和时钟使能信号，其中时钟信号sclk时钟周期前半段为低电平，后半段为高电平，可以实现对数据的中间采样，时钟使能信号led_time可以控制数据和时钟对齐。48行的state是一个状态改变的寄存器，只要数据一更新，state就有效。

  75行定义了update_input信号用来检测输入数据的变化。

  状态转换部分，在case语句中先检测state的初始位，然后进入循环操作，检测update_input是否使能，使能更新state，不使能保持state，更新后开始输出位数计数器led_cnt的计数

  在121到123行，对输出的三路信号进行了约束限制，这种方法值的借鉴，在用不到时不输出信号，用到时输出信号，最大量的节省时钟。Led_data_out是先从高位输出到低位。

2.2 LED数据产生部分

  在模块声明处，仍旧使用全局定义变量，控制模块中常量的使用。

  计数模块，产生时钟使能信号。

  Reg型变量Led_out_cnt是用来控制LED变化， 每当时钟信号使能开始计数，板卡上面一共有8个LED，所以计数8个即可。

  LED解码部分，通过上面的led_out_cnt信号进行解码，控制LED的流水操作。

3 modelsim验证部分

3.1 led_generate 模块仿真

  43行产生时钟信号，通过PERIOD进行周期控制。49~51产生复位信号，当时钟两次下降沿后复位信号拉高。56行用来监测led_out输出的时间，生成的脚本文件如图5.3所示。

图5.3仿真波形

  图5.4是利用脚本文件生成，可以观察到实现了流水功能，且时间间隔1s；

图5.4 脚本生成文件

3.2 led_74HC595 模块仿真

  前半部分和上述都一样，可以作为固定部分，大家可以自行复制即可。59行到63行增加了系统输入信号初始化部分。在输入信号输入前，最好最安全就是进行一次初始化。

  75行到87行是对输入进行模拟输入，并监测led_data-out信号，输出的结果如图5.5所示，由图可以看到时间间隔为120ns。

  图5.6是仿真波形，可以看到时钟led_sclk每次采样在输入信号的正中间位置，最大程度保证采样可靠。

图5.5 脚本文件

图5.6 仿真波形