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FPGA学习（二）——基于DE2-115开发板的LED流水灯设计

article 2025/3/26 4:34:08

基于DE2-115开发板的LED流水灯设计

设计目标：实现6个LED周期为1秒的跑马灯效果，支持按键暂停/恢复。

一、实验环境

硬件平台：DE2-115 FPGA开发板
开发工具：
- VScode + Verilog-HDL插件
- Quartus Prime Lite Edition
- ModelSim

二、模块化设计

采用层次化设计，分为以下模块：

分频模块（fenpin.v）：将50MHz时钟分频至1Hz。
显示模块（display.v）：控制LED流水灯状态机。
按键检测模块（key_debounce.v）：按键去抖动与状态切换。
顶层模块（LedBlink.v）：模块互联与引脚分配。

三、代码实现

1. 分频模块（fenpin.v）

module fenpin(
    input clk_50M,      // 50MHz时钟输入
    input rst_n,        // 复位信号（低有效）
    output reg clk_1Hz  // 1Hz分频输出
);
reg [25:0] cnt;         // 50MHz→1Hz需计数50,000,000次（26位计数器）

always @(posedge clk_50M or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        cnt <= 26'd0;
        clk_1Hz <= 1'b0;
    end
    else if (cnt == 26'd49_999_999) begin // 计数满50,000,000次
        cnt <= 26'd0;
        clk_1Hz <= ~clk_1Hz;             // 输出翻转
    end
    else begin
        cnt <= cnt + 1'b1;
    end
end
endmodule

2. 显示模块（display.v）

module display(
    input clk_1Hz,      // 1Hz时钟输入
    input rst_n,        // 复位信号
    input pause,        // 暂停信号（选做）
    output reg [5:0] led // LED输出
);
reg [2:0] state;        // 状态机（6种状态）

always @(posedge clk_1Hz or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        state <= 3'd0;
        led <= 6'b000001; // 初始状态：第1个LED亮
    end
    else if (!pause) begin // 非暂停状态时切换
        case(state)
            3'd0: led <= 6'b000001; // 状态0: LED0亮
            3'd1: led <= 6'b000010; // 状态1: LED1亮
            3'd2: led <= 6'b000100; // ...依次类推
            3'd3: led <= 6'b001000;
            3'd4: led <= 6'b010000;
            3'd5: led <= 6'b100000;
            default: led <= 6'b000000;
        endcase
        state <= (state == 3'd5) ? 3'd0 : state + 1; // 循环状态
    end
end
endmodule

3. 按键检测模块（key_debounce.v）（选做）

module key_debounce(
    input clk_50M,
    input key_in,       // 原始按键输入
    output reg key_out  // 去抖后输出
);
reg [19:0] cnt;         // 20ms去抖计数器（50MHz→20ms需计数1,000,000次）

always @(posedge clk_50M) begin
    if (key_in != key_out) begin
        if (cnt == 20'd999_999) begin
            key_out <= key_in; // 稳定后更新
            cnt <= 20'd0;
        end
        else cnt <= cnt + 1;
    end
    else cnt <= 20'd0;
end
endmodule

4. 顶层模块（LedBlink.v）

module LedBlink(
    input clk_50M,      // 开发板50MHz时钟
    input rst_n,        // 复位按键（KEY0）
    input pause_key,    // 暂停按键（KEY1，选做）
    output [5:0] led    // LED[5:0]
);
wire clk_1Hz;
wire pause_clean;

// 分频模块实例化
fenpin u_fenpin(
    .clk_50M(clk_50M),
    .rst_n(rst_n),
    .clk_1Hz(clk_1Hz)
);

// 按键去抖动实例化（选做）
key_debounce u_key(
    .clk_50M(clk_50M),
    .key_in(pause_key),
    .key_out(pause_clean)
);

// 显示模块实例化
display u_display(
    .clk_1Hz(clk_1Hz),
    .rst_n(rst_n),
    .pause(pause_clean),
    .led(led)
);
endmodule