詳解基于FPGA的數(shù)字電路對流水燈的實(shí)驗(yàn)

繼年前介紹的時(shí)序邏輯電路之時(shí)鐘分頻后，今天我們來介紹第7講：流水燈。

流水燈，有時(shí)候也叫跑馬燈，是一個(gè)簡單、有趣又經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，基本所有單片機(jī)的玩家們在初期學(xué)習(xí)的階段都做過。本次我們也來介紹一下如何通過小腳丫FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)流水燈。

流水燈就是讓一連串的燈在一定時(shí)間內(nèi)先后點(diǎn)亮并循環(huán)往復(fù)，所以其中的關(guān)鍵要領(lǐng)就在于控制每兩個(gè)相鄰LED亮滅的時(shí)間差，以及所有LED燈完成一組亮滅動作后的循環(huán)。很久都沒有用過小腳丫的朋友可以再回顧一下，這上面有8個(gè)LED燈，且低電平點(diǎn)亮。

實(shí)現(xiàn)流水燈的方法絕不止一種，在這里我們采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，因?yàn)槟K化設(shè)計(jì)對于之后構(gòu)建大型電路系統(tǒng)非常有幫助，并且我們還可以借機(jī)溫習(xí)一下以前學(xué)過的內(nèi)容。

現(xiàn)在我們的目標(biāo)是每過1秒后點(diǎn)亮下一個(gè)LED燈并且熄滅當(dāng)前燈，且在第8個(gè)燈熄滅之后循環(huán)整個(gè)流程，該如何設(shè)計(jì)整個(gè)模塊？我們先上圖后解釋。

毫無疑問，第一步需要做的就是通過分頻來生成一個(gè)周期為1秒的時(shí)鐘信號，不了解時(shí)鐘分頻童鞋可以讀一下本系列的第6篇內(nèi)容。

有了一個(gè)1秒鐘嘀嗒一次的時(shí)鐘后，我們還要考慮到循環(huán)問題，因?yàn)樵诘?個(gè)LED燈熄滅之后還需要再返回到第1個(gè)。那么這個(gè)時(shí)候我們就需要一個(gè)計(jì)數(shù)器，它的作用就是數(shù)羊，一只，兩只…。..數(shù)到第八只后重頭再來。數(shù)8只羊需要一個(gè)3位寬的變量（23=8）。

最后，由于我們是要依次點(diǎn)亮，也就是說8位的輸出中每次只有1位是低電平，其余均為高電平（小腳丫LED燈為低電平點(diǎn)亮）。這個(gè)特性正好對應(yīng)了我們之前學(xué)過的3-8譯碼器。

現(xiàn)在我們再來捋一遍。首先，通過分頻在小腳丫上生成一個(gè)周期為1秒的慢速時(shí)鐘信號，這個(gè)時(shí)鐘信號傳送到計(jì)數(shù)器之中；這個(gè)計(jì)數(shù)器是3位寬的，因此最多可以計(jì)八次慢速時(shí)鐘的嘀嗒，并且計(jì)數(shù)每增加1時(shí)，都對應(yīng)著3-8譯碼器的下一種輸出，也就對應(yīng)著流水燈的下一個(gè)狀態(tài)。

現(xiàn)在我們上代碼：

module runningled （clk，led）; input clk，rst; output［7:0］ led; reg ［2:0］ cnt ; //定義了一個(gè)3位的計(jì)數(shù)器，輸出可以作為3-8譯碼器的輸入 wire clk1hz; //定義一個(gè)中間變量，表示分頻得到的時(shí)鐘，用作計(jì)數(shù)器的觸發(fā) //例化分頻模塊，產(chǎn)生一個(gè)1Hz時(shí)鐘信號 divide #（.WIDTH（24），.N（12000000）） u2 （ //除數(shù)為12，000，000，因此頻率為1Hz .clk（clk）， .rst_n（rst）， .clkout（clk1hz） ）; //生成計(jì)數(shù)器，上沿觸發(fā)并循環(huán)計(jì)數(shù) always@（posedge clk1hz） cnt 《=《 span=“”》 cnt +1; // 達(dá)到位寬上限后可自動溢出清零 //例化3-8譯碼器模塊 decode38 u1 （ .X（cnt）， //例化的輸入端口連接到cnt，輸出端口連接到led .D（led） ）;endmodule

在第四篇講譯碼器的文章里，我們介紹過，如果需要調(diào)用/例化子模塊時(shí)，需要將各子模塊與大模塊放入同一個(gè)工程文件下進(jìn)行編譯。最后我們再來對小腳丫進(jìn)行管腳配置并燒錄就可以了。

對應(yīng)變量小腳丫管腳FPGA管腳

clkClockJ5

led ［0］LED1N15

led ［1］LED2N14

led ［2］LED3M14

led ［3］LED4M12

led ［4］LED5L12

led ［5］LED6K12

led ［6］LED7L11

led ［7］LED8K11

如果大家成功地在小腳丫上實(shí)現(xiàn)了流水燈的程序，還可以自己玩一個(gè)有意思的實(shí)驗(yàn)：比如，你可以通過修改程序來提高流水燈的刷新頻率，然后看看LED燈的刷新率為多少時(shí)你的肉眼無法分別。同時(shí)再打開手機(jī)的攝像頭，也以同樣的方法試驗(yàn)一番。結(jié)合到你觀察的現(xiàn)象，可以自己琢磨并思考一下，說不定能挖掘出更多的知識。

備注一些大伙都知道的常識：我國交流電工頻為50Hz，電腦常用顯示器的刷新率有60，75和144赫茲。華為Mate30刷新頻率為90赫茲，蘋果6-12的刷新頻率為60赫茲。
編輯：lyn