2025寒假练 - 基于iCE40UP5K的FPGA学习平台实现可定时的音乐时钟

内容介绍

1.项目介绍

可定时的音乐时钟：
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显示屏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

2. 硬件介绍

核心硬件：
- FPGA开发板：iCE40UP5K主控芯片，运行Verilog逻辑，驱动外设。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。
- OLED 128x64屏幕：显示实时时间（格式HH:MM:SS）和闹钟设置。
- WS2812 RGB LED灯带：12颗LED灯，每颗对应1小时，动态指示当前时间。
外设模块：
- 蜂鸣器：报警时播放600Hz提示音（通过PWM控制）。
- 按键模块：设置当前时间和闹钟（需自行扩展按键输入逻辑）。

3. 方案框图与设计思路

系统框图：

设计思路：

时间管理：
- FPGA内部计数器以12MHz生成1秒基准信号，累加时分秒（time1寄存器）。
- 支持按键修改time1和闹钟时间time_alarm（需扩展按键模块）。
OLED显示：
- 状态机控制屏幕初始化、字符和汉字渲染（如“时”、“分”、“秒”）。
- 通过SPI协议发送命令和数据，分时刷新显示内容。
LED指示：
- 12颗WS2812 LED灯带，当前小时对应LED高亮（如3点→第3颗亮绿色）。
- 报警时所有LED切换为红绿交替闪烁模式。
报警逻辑：
- 当time1达到time_alarm时，触发enable信号，启动LED闪烁和蜂鸣器鸣响，持续5秒。

4. 软件流程图与关键代码

流程图：

关键代码解释：

精确的24小时计时器，每秒更新一次时间值，并具备复位初始化功能。同时，通过状态机和OLED控制信号，可能用于驱动显示设备（如OLED屏幕）的时间展示：

always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
		if(!rst_n) begin
			cnt_main <= 1'b0; cnt_init <= 1'b0; cnt_scan <= 1'b0; cnt_write <= 1'b0;cnt_chinese <= 1'b0;
			y_p <= 1'b0; x_ph <= 1'b0; x_pl <= 1'b0;
			num <= 1'b0; char <= 1'b0; char_reg <= 1'b0;
			num_delay <= 16'd5; cnt_delay <= 1'b0; cnt <= 1'b0;
			oled_csn <= HIGH; oled_rst <= HIGH; oled_dcn <= CMD; oled_clk <= HIGH; oled_dat <= LOW;
			state <= IDLE; state_back <= IDLE;
		end else begin
		time_cnt <= time_cnt + 1;
        if (time_cnt == 26'd11_999_999) begin
            time_cnt <= 26'b0;
            if (time1[5:0] == 6'b111011) begin 
                time1[5:0] <= 6'b0;
                if (time1[11:6] == 6'b111011) begin
                    time1[11:6] <= 6'b0;
                    if (time1[17:12] == 6'b010111) begin
                        time1[17:12] <= 6'b0;
                    end else begin
                        time1[17:12] <= time1[17:12] + 1;
                    end
                end else begin
                    time1[11:6] <= time1[11:6] + 1;
                end
            end else begin
                time1[5:0] <= time1[5:0] + 1;
            end
        end

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

3.蜂鸣器

always @(posedge clk )begin

    if (cnt < 20000) 
        cnt <= cnt + 1;
    else 
        cnt <= 0;

    if (enable) begin
        beep   <= (cnt < 10000) ? 1'b0 : 1'b1;
    end else begin
        beep   <= 1'b0;
    end
end