项目介绍
利用iCE40核心板和底板等，实现可定时的音乐始终。任务要求：
（1）使用扩展板上的12颗彩灯对应于12个小时
（2）核心板上的FPGA产生时钟，在OLED显示评上通过模拟或者数字的方式显示当前的时间 - 小时、分、秒
（3）将“小时”的信息通过12颗彩灯来显示，效果自行设计
（4）具有定时的功能，通过扩展板上的按键设置时间，到该时间点即（彩灯闪烁 + 音频播放），持续5秒钟时间
（5）音频播放通过扩展板上的蜂鸣器来实现
硬件介绍
iCE40UP5K是莱迪思半导体推出的一款高性能、低功耗的现场可编程门阵列（FPGA）。其基本架构包括逻辑单元、可编程互连资源、输入输出模块。逻辑单元采用查找表（LUT）结构，每个LUT可以存储多个逻辑函数的真值表，通过组合这些LUT可以实现复杂的逻辑功能。可编程互连资源包括一系列的可编程开关和连接矩阵，用于连接不同的逻辑单元和其他资源。用户可以根据需要灵活地配置这些连接，以实现特定的电路功能。输入输出模块负责与外部电路进行数据交互，提供多种电气标准和接口类型，以便与其他芯片或设备进行连接。
方案框图和项目设计思路
方案框图
项目设计思路
项目设计思路是利用iCE40核心板生成时钟信号，通过OLED屏展示当前时间，同时将小时信息通过扩展板上的12颗彩灯直观显示，用户可通过按键设置定时，当到达设定时间时，对应的彩灯会闪烁且蜂鸣器发出音频提示，持续5秒，以此实现时间的可视化展示与定时提醒功能。该项目可以拆分为时间显示、时间设置、音乐报时三个小项目。因此设计了时间控制、OLED控制、按键控制、时间差计算、蜂鸣器控制等模块来实现。按键控制模块设置当前时间和定时时间，在设计这个模块时我也设计了按键消抖模块，防止在按键按下或释放时产生的抖动影响信号的稳定性。时间控制模块用于计算当前时间并按照1s时间间隔自增。时间差计算模块用于定时项目，便于观察当前时间距离定时时间的间隔。蜂鸣器控制模块负责控制蜂鸣器的启动、停止、切换和使能。同时添加beeper 模块，通过生成不同音符和节拍的控制信号来控制蜂鸣器的发声，同时通过按键K2控制歌曲的切换，并通过LED显示。OLED控制模块为与OLED显示屏进行交互的模块，输入信号包括当前时间、下一时间、时间差等，模块将这些信息显示在OLED屏幕上
软件流程图和关键代码介绍
软件流程图
关键代码介绍
按键消抖模块
（1）按键信号延迟：
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(!sys_rst_n) begin
key_d0 <= 1'b1;
key_d1 <= 1'b1;
end
else begin
key_d0 <= key;
key_d1 <= key_d0;
end
end
利用key_d0和key_d1将输入的按键信号延迟两个时钟周期。通过这种方式，能够将当前的按键状态与之前的状态进行比较，帮助判断按键是否有稳定变化。
（2）消抖计数器：
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(!sys_rst_n)
cnt <= 20'd0;
else begin
if(key_d1 != key_d0) //检测到按键状态发生变化
cnt <= CNT_MAX; //则将计数器置为20'd100_0000，
//即延时100_0000 * 20ns(1s/50MHz) = 20ms
else begin //如果当前按键值和前一个按键值一样，即按键没有发生变化
if(cnt > 20'd0) //则计数器递减到0
cnt <= cnt - 1'b1;
else
cnt <= 20'd0;
end
end
end
设计了一个20位计数器cnt，用于消除按键抖动。计数器初始值为0，如果检测到按键状态发生变化（key_d1和key_d0不同），则计数器会被重新加载到 CNT_MAX（20ms的时间延迟）。如果按键状态没有变化，计数器将递减，直到为 0。当计数器为0时，表示按键的状态已经稳定。
（3）按键稳定信号输出：
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(!sys_rst_n)
key_filter <= 1'b1;
//在计数器递减到1时送出按键值
else if(cnt == 20'd1)
key_filter <= key_d1;
else
key_filter <= key_filter;
end
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(!sys_rst_n)
key_filter_d1 <= 1'b1;
//在计数器递减到1时送出按键值
else
key_filter_d1 <= key_filter;
end
当计数器值递减到1时，key_filter被更新为key_d1，即按键的稳定状态。这个信号key_filter会持续直到计数器完成下一轮的计数。
key_filter_d1是key_filter 的延迟版，帮助确保信号稳定后才能最终生成一个脉冲输出。
（4）按键脉冲输出：
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(!sys_rst_n)
key_pulse <= 1'b0;
//在计数器递减到1时送出按键值
else
key_pulse <= !key_filter&key_filter_d1;
end
最终的消抖信号 key_pulse由key_filter和key_filter_d1比较得到。key_filter表示的即为按键按下这一动作，输出一个脉冲信号，表示按键的稳定变化。
按键控制模块
module key1_decode
#(
parameter OLED_MODE_MAX = 4'd8
)
(
input clk,
input rst,
input key1_pulse,
output reg [3:0] oled_mode
);
always @(posedge clk or negedge rst)begin
if (!rst)
oled_mode <= 4'd0;
else if (key1_pulse)
if(oled_mode == OLED_MODE_MAX - 1'b1)
oled_mode <= 1'b0;
else
oled_mode <= oled_mode + 1'b1;
else
oled_mode <= oled_mode;
end
endmodule
这个key1_decode模块的作用是对按键key1_pulse进行解码，并用于OLED显示模式切换。开发板上的K1是模式控制按键，一共控制8种模式：
Mode0：显示模式，只有在此模式下才会触发定时功能，即触发一圈灯闪烁效果及蜂鸣器效果，其他模式都是设置模式；
Mode1：设置当前时间的小时选项；
Mode2：设置当前时间的分钟选项；
Mode3：设置当前时间的秒选项；
Mode4：设置定时功能时间的小时选项；
Mode5：设置定时功能时间的分钟选项；
Mode6：设置定时功能时间的秒选项；
Mode7：设置蜂鸣器播放的音乐。
Mode1~Mode7这些模式下进行相应的设置操作都需要按K2。
按键 key1_pulse 每次触发，OLED 模式递增 1，直到最大模式后循环回 0。
时间控制模块
//数字钟自增与按键叠加
always @(posedge clk or negedge rst) begin
if (!rst) begin
counter <= 0; sec <= 27; min <= 54; hour <= 1;
curr_hour0 <= 0; curr_hour1 <= 0; curr_min0 <= 0; curr_min1 <= 0;
curr_sec0 <= 0; curr_sec1 <= 0;
end else begin
if (counter == MAX_1s - 1) begin counter <= 0;
if(key2_pulse)begin
case(oled_mode)
3:begin//按键调节秒
if (sec == 58) begin sec <= 0;
if (min == 59) begin min <= 0;
hour <= (hour == 11) ? 0 : hour + 1; // 12小时制
end else min <= min + 1; // 分钟+1
end else sec <= sec + 2; // 秒+1
end
2:begin//按键调节分
if (sec == 59) begin sec <= 0;
if (min == 58) begin min <= 0;
hour <= (hour == 11) ? 0 : hour + 1; // 12小时制
end else min <= min + 1; // 分钟+1
end else begin
sec <= sec + 1; // 秒+1
min <= min + 1;
end
end
1:begin//按键调节小时
if (sec == 59) begin sec <= 0;
if (min == 59) begin min <= 0;
hour <= (hour == 10) ? 0 : hour + 1; // 12小时制
end else min <= min + 1; // 分钟+1
end else begin
sec <= sec + 1; // 秒+1
hour <= hour + 1;
end
end
模块使用 sec（秒）、min（分钟）和 hour（小时）变量来表示当前时间。时间是基于一个外部时钟信号 clk 进行更新的。通过 counter 计数器控制每秒的递增，MAX_1s 为计数器的最大值。每当 counter 达到 MAX_1s 时，计时器更新sec、min 和 hour 的值。模块支持多种不同的时间计数模式，通过输入的 key2_pulse 触发，在不同的 oled_mode 下执行不同的时间更新逻辑。oled_mode 可能包括：只增加秒、增加分钟、增加小时，或者在不同的模式下根据按键输入递增对应的时间单位。
时间差计算模块
// 计算next时间和当前时间的差值
always @(posedge clk or negedge rst) begin
if (!rst) begin
diff_hour <= 1;diff_min <= 2;diff_sec <= 3;
borrow_min <= 0;borrow_hour <= 0;
end else begin
// 秒差的计算
if (next_sec < sec) begin
diff_sec <= 60 + next_sec - sec; // 借位
borrow_min <= 1; // 需要从分钟借位
end else begin
diff_sec <= next_sec - sec;
borrow_min <= 0; // 不需要借位
end
// 分钟差的计算
if (next_min < min) begin//一定需要借位
if(borrow_min)begin
diff_min <= 59 + next_min - min; // 借位
borrow_hour <= 1; // 需要从小时借位
end else begin
diff_min <= 60 + next_min - min; // 借位
borrow_hour <= 1; // 需要从小时借位
end
end else if(next_min == min)begin//可能需要借位
if(borrow_min)begin
diff_min <= 59; // 借位
borrow_hour <= 1; // 需要从小时借位
end else begin
diff_min <= 0; // 借位
borrow_hour <= 0; // 不需要从小时借位
end
end else begin//本身next_min>min，不需要借位
if(borrow_min)begin
diff_min <= next_min - min - 1;
borrow_hour <= 0; // 不需要借位
end else begin
diff_min <= next_min - min;
borrow_hour <= 0; // 不需要借位
end
end
// 小时差的计算
if (next_hour < hour) begin//一定需要借位
if(borrow_hour)begin
diff_hour <= 11 + next_hour - hour; // 借位
end else begin
diff_hour <= 12 + next_hour - hour; // 借位
end
end else if(next_hour == hour)begin//可能需要借位
if(borrow_hour)begin
diff_hour <= 11; // 借位
end else begin
diff_hour <= 0; // 借位
end
end else begin//本身next_hour>hour，不需要借位
if(borrow_hour)begin
diff_hour <= next_hour - hour - 1;
end else begin
diff_hour <= next_hour - hour;
end
end
end
end
该模块接收当前时间（sec, min, hour）和目标时间（next_sec, next_min, next_hour）。计算秒差、分钟差和小时差，特别地，对于每个时间单位（秒、分钟、小时），如果目标时间小于当前时间，模块会进行借位（从上一级时间单位借位）计算出的小时、分钟和秒的差值将被格式化成两位数的显示形式，分别存储在 diff_hour1, diff_hour0（小时的高位和低位）、diff_min1, diff_min0（分钟的高位和低位）、diff_sec1, diff_sec0（秒的高位和低位）中，方便后续显示
蜂鸣器使能控制模块
（1）蜂鸣器启动 (beeper_start)：
always@(posedge clk or negedge rst)
if(!rst)
beeper_start <= 1'b0;
else if(oled_mode == 0 && diff_hour == 0 && diff_min == 0 && diff_sec == 0)
beeper_start <= 1'b1;
else
beeper_start <= 1'b0;
当oled_mode==0且diff_hour == 0, diff_min == 0, diff_sec == 0（即目标时间与当前时间的差值为零），表示目标时间已到，蜂鸣器应当启动。
在这种情况下，beeper_start 被设置为 1，表示蜂鸣器开始响铃。
（2）蜂鸣器停止(beeper_stop)：
always@(posedge clk or negedge rst)
if(!rst)
beeper_stop <= 1'b0;
else if(oled_mode == 0)
beeper_stop <= key2_pulse;
else
beeper_stop <= 1'b0;
当 oled_mode == 0（表示某个模式下），key2_pulse（按键脉冲）为有效信号时，蜂鸣器停止响铃。
只要按键触发，beeper_stop 会被设置为 1，停止蜂鸣器。
（3）蜂鸣器切换 (beeper_switch)：
always@(posedge clk or negedge rst)
if(!rst)
beeper_switch <= 1'b0;
else if(oled_mode == 7)
beeper_switch <= key2_pulse;
else
beeper_switch <= 1'b0;
当 oled_mode == 7 时，key2_pulse 触发时，蜂鸣器的切换功能被启用。此时，beeper_switch 会根据按键状态切换蜂鸣器的工作状态（例如启用或禁用）。
（4）蜂鸣器使能(beeper_en)：
always@(posedge clk or negedge rst)
if(!rst)
beeper_en <= 1'b0;
else if(beeper_start)
beeper_en <= 1'b1;
else if(beeper_stop)
beeper_en <= 1'b0;
else
beeper_en <= beeper_en;
beeper_en 控制蜂鸣器是否开启。它的状态取决于 beeper_start 和 beeper_stop：
当 beeper_start 为 1（蜂鸣器应启动时），beeper_en 被设为 1，启用蜂鸣器。
当 beeper_stop 为 1（蜂鸣器应停止时），beeper_en 被设为 0，禁用蜂鸣器。
蜂鸣器模块
beeper 模块用于通过生成不同音符和节拍的控制信号来控制蜂鸣器的发声，同时通过按键K2控制歌曲的切换，并通过LED显示蜂鸣器的状态用于上板debug。
//当蜂鸣器使能时，计数器按照计数终值（分频系数）计数
always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
if(rst_n_in == 1'b0) begin
time_cnt <= 1'b0;
end else if(tone_en == 1'b0) begin
time_cnt <= 1'b0;
end else if(time_cnt>=time_end) begin //计数清零
time_cnt <= 1'b0;
end else begin
time_cnt <= time_cnt + 1'b1;
end
end
//根据计数器的周期，翻转蜂鸣器控制信号
always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
if(rst_n_in == 1'b0) begin
piano_out <= 1'b0;
end else if(tone==5'd0) begin //没有音节时，不让蜂鸣器出声
piano_out <= 1'b0;
end else if(time_cnt==time_end) begin
piano_out <= ~piano_out; //蜂鸣器控制输出翻转，两次翻转为1Hz
end else begin
piano_out <= piano_out;
end
end
time_cnt 计数器用来控制蜂鸣器的发声周期。time_end 控制蜂鸣器的频率，根据 tone 来设置 time_end 的值，从而控制蜂鸣器的频率。根据 time_cnt 和 time_end，当计数器达到设定的 time_end 值时，翻转 piano_out 信号，从而控制蜂鸣器的开关，产生音频输出。
OLED控制模块
此模块为与OLED显示屏进行交互的模块，输入信号包括当前时间、下一时间、时间差等，模块将这些信息显示在OLED屏幕上。同时，代码还根据oled_mode输入信号显示不同的模式，并当显示为音乐模式Mode7时根据key2_mode7信号的输入变化文本内容。
代码中包含一个状态机（state），有多个状态如IDLE、MAIN、INIT、SCAN、WRITE、DELAY、CHINESE、CHINESE_FAN，用于控制显示屏的显示行为：
（1）INIT（初始化OLED显示屏）
作用：此状态用于初始化OLED显示屏，确保显示屏处于正确的工作状态。
具体操作：
在此状态下，首先进行OLED复位操作，关闭显示屏，使其进入初始化阶段。
然后通过spi总线发送控制指令进行一些硬件配置，例如设置电源、时钟等，确保显示屏能够正常工作。
在初始化过程中，程序会等待一定的延时（DELAY状态），以确保每个初始化步骤完成后，显示屏能够正常响应。
初始化完成后，切换到下一个状态（通常是MAIN状态）。
（2）MAIN（显示不同模式下oled屏幕每一行的内容）
作用：在此状态下，OLED显示屏用于显示各种信息，包括当前时间、下一时间、时间差和显示模式。
具体操作：
该状态根据不同的时间和模式信息来更新显示内容。例如，显示当前时间、下一时间、时间差以及OLED的工作模式。cnt_main计数器在此状态下循环，每次刷新显示屏，更新显示的内容。例如，可以显示格式化的时间字符串（如"Curr Time: 12:30:45"），并显示模式信息（如"Mode: 0"）。调用SCAN状态以扫描并更新显示内容。
（3）SCAN（扫描显示内容，循环调用WRITE状态往oled屏幕中写入一行）
作用：扫描并更新显示内容，确保显示内容准确无误。
具体操作：
在此状态下，程序会扫描并根据需要更新每个位置的字符。根据当前的cnt_scan值，OLED的不同位置会显示不同的字符或信息。此状态通常用于控制字符显示的顺序。例如，在一次扫描过程中，可能需要逐个字符地将内容从内存中读取并显示到屏幕上。一旦扫描完成，系统返回到MAIN状态或继续执行下一个操作。
（4）WRITE（写入数据到OLED屏幕，每次写入一个字节）
作用：将字符数据写入OLED屏幕，以便显示信息。
具体操作：
通过oled_dcn和oled_dat信号控制数据和命令的传输。每个字符的8位数据会逐一通过oled_dat发送到OLED显示器，oled_clk控制数据的时序。该状态在SCAN状态中被调用，用于根据字符数据写入显示内容。
（5）DELAY（设置延迟，确保显示内容正确刷新）
作用：提供适当的延迟，以确保OLED屏幕正确刷新并显示稳定内容。
具体操作：
在某些操作（如初始化或数据写入后）完成后，系统会进入DELAY状态。在此状态下，系统会根据设定的延迟时间（例如num_delay）暂停一段时间，确保显示的内容能够正确地稳定在屏幕上。一旦延迟时间结束，系统会返回到先前的状态（通常是MAIN或SCAN状态），继续进行下一步操作。
（6）CHINESE（从内存中读取中文字符进行显示，循环调用WRITE状态往oled屏幕中写入一行）
作用：该状态用于从内存中读取中文字符并显示在OLED屏幕上。
具体操作：
在此状态下，系统从mem_chinese内存中读取中文字符数据（每个汉字占用多个字节）。对应的字节数据被传送到显示屏，显示对应的汉字字符。每个汉字需要多次传输数据，因此需要逐字节、逐行地读取并显示每个汉字。一旦显示完成，系统通常返回到MAIN状态，继续显示其他内容。
（7）CHINESE_FAN（字符反向显示表示选中此行，循环调用WRITE状态往oled屏幕中写入一行）
作用：与CHINESE状态类似，但在此状态下，字符可能以反向或者其他特定的方式显示。
具体操作：
在此状态下，中文字符仍然从mem_chinese内存中读取，但字符的显示方式可能会有所不同。比如，字符的颜色可能会反转，或者按某种特殊方式进行显示（例如反向显示，背景和字符颜色互换）。类似于CHINESE状态，每个汉字都需要按字节逐一显示，但此状态可能包括额外的显示效果（如反向显示）。
一圈灯显示模块
该模块通过状态机控制LED灯的显示和时间控制
（1）模块常量和参数
时序参数：T0H, T0L, T1H, T1L分别定义了LED数据编码中0和1的高电平和低电平的时序。这些是基于WS2812协议的规范，用于控制LED颜色。
计时器：cnt_time_max定义了计时器的最大值，用于控制LED灯的转动周期。
复位时间：RST定义了LED灯循环复位的时间。
LED颜色：LED_1到LED_8定义了8个LED的颜色数据，通过25位二进制表示每个LED的RGB值。
状态：通过16个状态（IDLE, LED_one, LED_two, ... , RST_FSM）控制LED的状态和状态转移。
（2）LED灯圈旋转
always@(posedge clk or negedge rst ) begin
if(!rst)begin
cnt_time<=24'b0;
ledcolor1<=LED_1;
ledcolor2<=LED_2;
ledcolor3<=LED_3;
ledcolor4<=LED_4;
ledcolor5<=LED_5;
ledcolor6<=LED_6;
end
else if(cnt_time == cnt_time_max - 1'b1)begin
cnt_time<=24'b0;
ledcolor1<=ledcolor6;
ledcolor2<=ledcolor1;
ledcolor3<=ledcolor2;
ledcolor4<=ledcolor3;
ledcolor5<=ledcolor4;
ledcolor6<=ledcolor5;
end
else
cnt_time<=cnt_time+1'b1;
end
cnt_time：计时器，控制LED灯的轮转，24次计时后，LED的颜色会向前转移一位。
ledcolor1到ledcolor6：保存每个LED的颜色值，每次计时器溢出时，LED灯的颜色发生转移，实现灯光的循环旋转效果。
（3）PWM信号生成
always @(posedge clk or negedge rst)
begin
if(!rst)
cycle_cnt <= 7'd0;
else if(cycle_cnt == (T0H + T0L - 6'd1))
cycle_cnt <= 7'd0;
else if(state != RST_FSM)//涓€杞紶杈撲笅鏉ワ紝澶嶄綅鍚庡榻��
cycle_cnt <= cycle_cnt + 1'b1;
else
cycle_cnt <= 7'd0;
end
cycle_cnt：周期计数器，用于计时LED控制信号的高电平和低电平持续时间。
根据cycle_cnt的值和LED的数据编码规则，控制led_pwm信号，输出PWM信号来调节LED灯的亮度。
（4）状态机设计
FSM状态机：状态机根据state值控制LED灯的工作状态，包括从一个LED到下一个LED的状态转移（LED_one到LED_twe）。
state_tran：当完成一个LED的PWM信号传输后，状态机将进入下一个LED的显示，并完成一次完整的LED灯显示。
RST_FSM：在复位状态下，所有的LED灯将被初始化，状态机会等待复位计时器达到设定的复位时间（RST）后，返回到IDLE状态，开始下一轮灯光显示。
（5）LED控制信号的移位
shift：通过移位操作，逐位控制LED的颜色。bit_cnt计数器用于逐位移位，生成LED的显示信号。
具体的颜色数据通过ledcolor1, ledcolor2, ...来传递，通过bit_cnt逐位输出相应的RGB数据。
（6）开始/停止控制
flicker：根据start和stop信号，控制是否开始或停止LED灯的显示。当start信号为高时，flicker设置为1，开始LED的显示；当stop信号为高时，flicker设置为0，停止LED的显示。
（7）状态转移
在每个LED的显示周期结束后，状态机会根据state_tran的标志转移到下一个LED的显示状态。
当复位计时器rst_cnt到达复位时间时，state_tran_rst信号会被激活，重新开始新一轮的LED灯周期。
功能展示
FPGA资源占用
心得体会
这是我第一次使用ice板卡进行实验，对板子和编译环境都比较陌生。在写代码的过程中，思路还是比较清晰的，但真正落实的时候还是会出现各种bug。在整个实验过程中，我遇到了一系列的问题，从硬件连接错误到软件配置问题，再到设计逻辑上的缺陷。但是通过不断地查阅资料、向他人请教和自己的思考实践，我逐渐学会了如何分析问题、定位问题的根源并找到有效的解决方案。通过这次实验，我对FPGA技术有了更深入的理解，以后的学习也有了方向。
最后非常感谢电子森林举办寒假练活动，给予我不断学习、进取的机会，也要感谢各位老师的悉心指导。
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