DE2-115开发板LED流水灯Verilog设计

一、实验环境搭建

1. 安装并打开VSCode，在扩展商店中搜索并安装Verilog-HDL/SystemVerilog插件，实现语法高亮和自动补全功能。
   
2. 下载并打开Quartus 18，按顺序点击Tools->Options->Preferred Text Editor进入偏好文本编辑器，在Text editor中选择自定义文本编辑器(Custom)，并在Command-line中选择VSCode的Code.exe程序所在文件位置，将VSCode与Quartus进行绑定。
   
3. 新建led_floa项目以开发流水灯项目，选择合适的设备和仿真软件，例如EP4CE115F29C7设备和ModelSim-ALtera（Verilog HDL）仿真软件。

在VSCode中的项目文件夹led_floa中创建以下文件：

• LedBlink.v（顶层模块）
• fenpin.v（分频模块）
• display.v（显示模块）

二、设计思路

采用层次化设计，将系统分为三个模块：

1. 顶层模块（LedBlink.v）：负责实例化和连接其他模块
2. 分频模块（fenpin.v）：将输入时钟分频到合适频率
3. 显示模块（display.v）：控制LED的流水灯效果

三、代码实现

代码如下:
LedBlink

module LedBlink(
    input   clk,//50Mhz
    input   rst_n,//复位信号
    input   pause_key,
    output [5:0] led
);

//模块间连接信号
wire en_ls;
wire pause_reg;//暂停状态信号

fenpin u_fenpin(
    .clk    (clk),
    .rst_n  (rst_n),
    .en     (en_ls)
);

display u_display(
        .clk    (clk),
    .rst_n  (rst_n),
    .en_ls  (en_ls),
    .pause_key  (pause_key),
    .pause_reg  (pause_reg),
    .led  (led)
);

endmodule

代码说明：负责将分频模块和显示模块连接起来，并处理复位信号。

fenpin.v

module fenpin(
    input   clk,
    input   rst_n,
    output  reg en
);

reg [22:0] cnt;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)begin
        cnt<=23'd0;
        en<=1'b0;
    end else begin
        if(cnt==23'd8_333_332) begin
            cnt<=23'd0;
            en<=1'b1;
        end else begin
            cnt<=cnt+1'b1;
            en<=1'b0;
        end
    end
end

endmodule

代码说明：通过计数器实现时钟分频，用于控制流水灯的速度。

display.v

module display(
    input   clk,
    input   rst_n,
    input   en_ls,
    input   pause_key,
    output reg pause_reg,
    output reg [5:0] led
);

reg [1:0] sync_key;
reg  key_delay;
reg [19:0] debounce_cnt;
reg key_pressed; 

// 按键消抖逻辑
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        sync_key <= 2'b11;
        key_delay <= 1'b1;
        debounce_cnt <= 20'd0;
        key_pressed <= 1'b0;
    end  else begin
        sync_key <= {sync_key[0], pause_key};
        key_delay <= sync_key[1];
        if(sync_key[1] != key_delay)
            debounce_cnt <= 20'd999_999;
        else if (debounce_cnt != 0)
            debounce_cnt <= debounce_cnt - 1;
        if(debounce_cnt == 0 && sync_key[1] == 1'b0)
            key_pressed <= 1'b1;
        if(debounce_cnt == 0 && sync_key[1] == 1'b1)
            key_pressed <= 1'b0;
    end
end

reg key_release_flag;  // 记录按键释放事件
always @(posedge  clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        pause_reg <= 1'b0;
        key_release_flag <= 1'b0;
    end else begin
        // 当按键从按下状态变为释放状态时，翻转暂停状态
        if(key_pressed == 1'b1 && sync_key[1] == 1'b1)
            key_release_flag <= 1'b1;
        else
            key_release_flag <= 1'b0;
        
        if(key_release_flag)
            pause_reg <= ~pause_reg;
    end
end

// LED闪烁控制逻辑
always @(posedge  clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        led <= 6'b000001;
    end else if(en_ls && !pause_reg) begin
        led <= {led[0], led[5:1]};
    end
end

endmodule

代码说明：采用状态机设计，定义6个状态分别对应6个LED点亮的位置，状态按顺序循环切换，实现流水灯效果。

5. 保存全部项目后，在Quartus中点击Files->...->选中.v文件,即可添加刚才在VSCode中保存的.v文件。
   

6. 按下Ctrl+K开始分析与综合，检查语法，编译信息没有红色，表示编译通过。如果出现undefined类错误，将LedBlink.v设置为顶层即可。
   
7. 编译通过后没问题了，便可开始分配管脚。

8. 按下Ctrl+L开始编译，准备进行烧录程序，编译通过即可开始烧录。
   
9. 开始烧录程序

四、收获总结

通过LED流水灯实验，我学会了用Verilog做分频和状态机控制，还掌握了模块化设计和规范写代码的方法。以前觉得抽象的数字电路知识，现在通过实际操作，终于明白了怎么在FPGA里实现。动手能力也提升了不少，能更灵活地运用到以后的项目里。而且在调试过程中，也锻炼了自己解决问题的能力，遇到错误不再慌张，知道如何去分析和修正。这次实验让我对数字系统设计有了更深入的理解，也增强了我继续学习和探索的信心。

五、参考资料

【FPGA实战】Verilog实现DE2-115的流水灯控制
Quartus联合Vscode开发教程