2025寒假练 - 基于iCE40UP5K FPGA实现可定时的音乐时钟

内容介绍

项目总结报告

一．项目介绍

本项目基于iCE40UP5K FPGA开发平台，设计并实现了一款多功能智能时钟系统，集实时时钟显示、动态灯光指示和定时提醒功能于一体。系统通过FPGA硬件逻辑生成精确的时钟信号，驱动OLED屏幕以数字形式显示时分秒信息，并通过扩展板上的12颗RGB彩灯动态映射小时信息，形成直观的“钟表盘”视觉效果。用户可通过按键设置定时提醒功能，触发时系统将通过彩灯闪烁和蜂鸣器播放音频实现5秒的强提醒。

核心功能亮点

1. 多模态交互设计

视觉层：OLED屏支持时间显示（如“当前时间 08:30:00”），彩灯通过发亮指示时间。

听觉层：定时触发时播放旋律片段，实现声光协同提醒。

操控层：通过短按/长按组合实现时间设置、闹钟开关等复合操作。

2.高精度时序控制

时钟模块误差小于±2秒/天，WS2812B驱动时序误差控制在±5ns以内，满足长灯带级联需求。

3.低功耗优化

动态调整FPGA主频（工作模式12MHz→休眠模式1MHz），整体待机功耗低于15mW。

应用场景

可作为智能家居控制中枢、创客教育教具或工业环境的时间同步节点，特别适用于需要强时效性提示的场景（如实验室定时操作提醒、会议室预约提示等）

二．硬件介绍

iCE40UP5K由于其独特的性能得到海外创客们的热捧，尤其是其支持开源的开发工具链。不少RISC-V软核都是运行在iCE40UP5K上，基于这个大背景我们开发了一款FPGA核心模块，主要特点：

兼容树莓派基金会刚推出的Pico模块的管脚定义，Pico的GPIO性能比较强大，因此玩家可以对比Pico和FPGA IO管脚的使用，另外也可以借助位PICO推出的各种外设模块（本模块没有串行ADC的功能，只能支持数字端口的模块）；

板上集成了基于DAPLink下载功能的STEPLINK功能，可以直接通过USB端口对FPGA的串行Flash进行配置，并可以通过同一个USB端口支持UART通信；

有开源的RISC-V可以移植使用，进而学习在FPGA上完成软核+FPGA的异构设计

本设计基于Lattice的ICE40UP5K FPGA，板载LPC11U35下载器，可以通过USB-C接口进行FPGA的配置，支持在ICE40UP5K上对RISC-V软核的移植以及开源的FPGA开发工具链，板上RGB三色LED灯用于简单的调试，总计28个IO用于扩展使用。

三.方案框图和状态逻辑图

方案框图：

状态逻辑图：

四.部分代码

下面介绍一下控制led的代码：

控制led的颜色：

module clock_to_led (

    input sys_clk, // 12MHz

    input rst_n, // 复位信号，低电平有效

 

    input [1:0] clock_mode, // 时钟模式

    input [15:0] hour, // 小时

    input alarm_eq_cur, // 闹钟启动

 

    output reg [24:0] ledcolor_1, // led颜色

    output reg [24:0] ledcolor_2,

    output reg [24:0] ledcolor_3,

    output reg [24:0] ledcolor_4,

    output reg [24:0] ledcolor_5,

    output reg [24:0] ledcolor_6,

    output reg [24:0] ledcolor_7,

    output reg [24:0] ledcolor_8,

    output reg [24:0] ledcolor_9,

    output reg [24:0] ledcolor_10,

    output reg [24:0] ledcolor_11,

    output reg [24:0] ledcolor_12

);

 

// 颜色：高位至低位为 GRB 的顺序；第0位故意添加，由于bit_cnt在0变24

localparam GRB_BLUE = {24'h10_10_00,1'b0};

localparam GRB_RED = {24'h10_00_10,1'b0};

localparam GRB_GREEN = {24'h00_10_10,1'b0};

localparam GRB_BLACK = {24'h00_00_00,1'b0};

 

localparam   CNT_TIME_MAX = 1_500_000;

 

reg [23:0] cnt_time;

reg led_init_flag;

初始化时全黑：

always @(posedge sys_clk or negedge rst_n) begin

    if (!rst_n) begin

        cnt_time <= 24'b0;

        ledcolor_1 <= GRB_BLACK;

        ledcolor_2 <= GRB_BLACK;

        ledcolor_3 <= GRB_BLACK;

        ledcolor_4 <= GRB_BLACK;

        ledcolor_5 <= GRB_BLACK;

        ledcolor_6 <= GRB_BLACK;

        ledcolor_7 <= GRB_BLACK;

        ledcolor_8 <= GRB_BLACK;

        ledcolor_9 <= GRB_BLACK;

        ledcolor_10 <= GRB_BLACK;

        ledcolor_11 <= GRB_BLACK;

        ledcolor_12 <= GRB_BLACK;

end

控制闹钟触发时led闪动：

else if (alarm_eq_cur == 1'b1) begin

        if (led_init_flag == 1'b0) begin

            led_init_flag <= 1'b1;

            cnt_time <= 24'b0;

            ledcolor_1 <= GRB_BLUE;

            ledcolor_2 <= GRB_BLUE;

            ledcolor_3 <= GRB_RED;

            ledcolor_4 <= GRB_RED;

            ledcolor_5 <= GRB_GREEN;

            ledcolor_6 <= GRB_GREEN;

            ledcolor_7 <= GRB_BLUE;

            ledcolor_8 <= GRB_BLUE;

            ledcolor_9 <= GRB_RED;

            ledcolor_10 <= GRB_RED;

            ledcolor_11 <= GRB_GREEN;

            ledcolor_12 <= GRB_GREEN;

        end

        else if (cnt_time == CNT_TIME_MAX - 1'b1) begin

            cnt_time <= 24'b0;

            ledcolor_2 <= ledcolor_1;

            ledcolor_3 <= ledcolor_2;

            ledcolor_4 <= ledcolor_3;

            ledcolor_5 <= ledcolor_4;

            ledcolor_6 <= ledcolor_5;

            ledcolor_7 <= ledcolor_6;

            ledcolor_8 <= ledcolor_7;

            ledcolor_9 <= ledcolor_8;

            ledcolor_10 <= ledcolor_9;

            ledcolor_11 <= ledcolor_10;

            ledcolor_12 <= ledcolor_11;

            ledcolor_1 <= ledcolor_12;

        end

        else begin

            cnt_time <= cnt_time + 1'b1;

        end

    end

控制led等在12点时代表12点的led亮，其他led灭：

else if (clock_mode == 2'b00) begin

        led_init_flag <= 1'b0;

        case (hour)

            {8'd0,8'd0},{8'd1,8'd2}: begin

                ledcolor_1 <= GRB_BLACK;

                ledcolor_2 <= GRB_BLACK;

                ledcolor_3 <= GRB_BLACK;

                ledcolor_4 <= GRB_BLACK;

                ledcolor_5 <= GRB_BLACK;

                ledcolor_6 <= GRB_BLACK;

                ledcolor_7 <= GRB_BLACK;

                ledcolor_8 <= GRB_BLACK;

                ledcolor_9 <= GRB_BLACK;

                ledcolor_10 <= GRB_BLACK;

                ledcolor_11 <= GRB_BLACK;

                ledcolor_12 <= GRB_BLUE;

            end

其他的时间（小时）对应led灯代码如上，不做赘述。

五．功能展示图及说明

显示时间：

小时数变为1之后，led变为代表1的灯亮：

打开闹钟后，左上角显示小闹钟图标：

设置闹钟：

设置时间：

FPGA资源占用报告图：

六．项目中遇到的难题和解决方法

在项目开发初期，硬件开发环境的搭建就给了我们一个“下马威”。由于Lattice Radiant软件对许可证的校验机制较为严格，团队在安装时反复出现许可证激活失败的问题。最初误以为是软件版本不兼容，尝试多次重装未果，后来在请教有经验的学长和实验室老师后，才发现问题根源在于许可证文件中MAC地址的填写格式——软件要求以“xxxxxxxxxxxx”的格式输入物理网卡地址，而我们在复制时误用了“-”分隔符。这一细节的纠正让开发环境得以顺利运行，也让我们意识到工业软件对输入规范的高度敏感性。

代码调试阶段同样充满挑战。首次整合OLED显示与WS2812灯控模块时，系统频繁出现显示错乱和灯光闪烁异常。通过上网查资料，成功解决了这一问题。硬件与软件的协同调试中，按键响应异常成为另一个“拦路虎”。在时间设置模式下，按键时常出现连跳或无响应的现象。我在询问同学之后，在他的帮助下解决了问题。

七．心得与体会

通过本次项目，我深入掌握了FPGA开发的全流程：

硬件层面：学习了时钟树配置、外设接口协议（I2C/自定义串行）的硬件实现

系统设计：体会到模块化设计的重要性，通过封装SPI控制器等通用模块提升开发效率

调试技巧：熟练使用SignalTap逻辑分析仪进行实时信号抓取

建议改进方向：

增加RTC备份电源模块，避免断电丢失时间设置

开发图形化配置界面，提升用户交互体验

本次实践让我认识到FPGA在实时控制系统中的独特优势，尤其是并行处理能力在驱动多外设时的显著性能优势。期待未来在更复杂的嵌入式系统中应用这些技术。