基于FPGA的数字电路实验7：流水灯的实现

电子森林 2021-03-17 00:00

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继年前介绍的时序逻辑电路之时钟分频后，今天我们来介绍第7讲：流水灯。

流水灯，有时候也叫跑马灯，是一个简单、有趣又经典的实验，基本所有单片机的玩家们在初期学习的阶段都做过。本次我们也来介绍一下如何通过小脚丫FPGA实现一个流水灯。

流水灯就是让一连串的灯在一定时间内先后点亮并循环往复，所以其中的关键要领就在于控制每两个相邻LED亮灭的时间差，以及所有LED灯完成一组亮灭动作后的循环。很久都没有用过小脚丫的朋友可以再回顾一下，这上面有8个LED灯，且低电平点亮。

实现流水灯的方法绝不止一种，在这里我们采用模块化的设计思路，因为模块化设计对于之后构建大型电路系统非常有帮助，并且我们还可以借机温习一下以前学过的内容。

现在我们的目标是每过1秒后点亮下一个LED灯并且熄灭当前灯，且在第8个灯熄灭之后循环整个流程，该如何设计整个模块？我们先上图后解释。

毫无疑问，第一步需要做的就是通过分频来生成一个周期为1秒的时钟信号，不了解时钟分频童鞋可以读一下本系列的第6篇内容。

有了一个1秒钟嘀嗒一次的时钟后，我们还要考虑到循环问题，因为在第8个LED灯熄灭之后还需要再返回到第1个。那么这个时候我们就需要一个计数器，它的作用就是数羊，一只，两只…...数到第八只后重头再来。数8只羊需要一个3位宽的变量(2³=8)。

最后，由于我们是要依次点亮，也就是说8位的输出中每次只有1位是低电平，其余均为高电平（小脚丫LED灯为低电平点亮）。这个特性正好对应了我们之前学过的3-8译码器。

现在我们再来捋一遍。首先，通过分频在小脚丫上生成一个周期为1秒的慢速时钟信号，这个时钟信号传送到计数器之中；这个计数器是3位宽的，因此最多可以计八次慢速时钟的嘀嗒，并且计数每增加1时，都对应着3-8译码器的下一种输出，也就对应着流水灯的下一个状态。

现在我们上代码：

module runningled (clk,led);  input clk,rst;                                                                                                             output[7:0] led;                                                                         reg   [2:0] cnt ;  //定义了一个3位的计数器，输出可以作为3-8译码器的输入  wire clk1hz;       //定义一个中间变量，表示分频得到的时钟，用作计数器的触发           //例化分频模块，产生一个1Hz时钟信号                                     divide #(.WIDTH(24),.N(12000000)) u2 (  //除数为12,000,000，因此频率为1Hz     .clk(clk),     .rst_n(rst),                   .clkout(clk1hz)  );                                //生成计数器，上沿触发并循环计数                                     always@(posedge clk1hz)        cnt <=< span=""> cnt +1;  // 达到位宽上限后可自动溢出清零    //例化3-8译码器模块  decode38 u1 (                                       .X(cnt),  //例化的输入端口连接到cnt，输出端口连接到led      .D(led)  );endmodule

在第四篇讲译码器的文章里，我们介绍过，如果需要调用/例化子模块时，需要将各子模块与大模块放入同一个工程文件下进行编译。最后我们再来对小脚丫进行管脚配置并烧录就可以了。

对应变量	小脚丫管脚	FPGA管脚
clk	Clock	J5
led [0]	LED1	N15
led [1]	LED2	N14
led [2]	LED3	M14
led [3]	LED4	M12
led [4]	LED5	L12
led [5]	LED6	K12
led [6]	LED7	L11
led [7]	LED8	K11

如果大家成功地在小脚丫上实现了流水灯的程序，还可以自己玩一个有意思的实验：比如，你可以通过修改程序来提高流水灯的刷新频率，然后看看LED灯的刷新率为多少时你的肉眼无法分别。同时再打开手机的摄像头，也以同样的方法试验一番。结合到你观察的现象，可以自己琢磨并思考一下，说不定能挖掘出更多的知识。

备注一些大伙都知道的常识：我国交流电工频为50Hz，电脑常用显示器的刷新率有60，75和144赫兹。华为Mate30刷新频率为90赫兹，苹果6-12的刷新频率为60赫兹。

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