SU200P 风扇与 LED 控制实验说明

配套工程：led_dip_sw_fan 工程环境：Vivado 2026.1 目标器件：xcsu200p-sbva1024-2-e

1. 实验目的

本实验使用 SU200P 开发板上的 FPGA 完成以下内容：

1. 使用 PWM 控制 8 个板载 LED 同步实现呼吸效果；
2. 使用 SW8 八位拨码开关分别控制 8 个 LED 是否参与呼吸显示；
3. 使用 5 个普通按键统一关闭 LED 输出，使用复位按键 SW13 复位呼吸状态；
4. 根据温度值计算风扇占空比，并输出约 25 kHz 的四线风扇 PWM；
5. 通过仿真观察 LED PWM、输入控制、复位和不同温度下的风扇 PWM；
6. 完成工程综合、实现、PDI 生成和板级下载验证。

2. 设计概况

设计基于纯 RTL 搭建，以 Top.v 为综合顶层，主要包含 LED 呼吸灯和风扇 PWM 两个功能模块。顶层同时接收 SW8 八位拨码开关、5 个普通按键和 SW13 复位按键，并完成 LED 输出控制。涉及的主要文件如下：

<samp>工程文件说明</samp>

<kbd>工程结构</kbd>

3. 设计原理

3.1 系统时钟与复位

板载时钟器件提供约 266.67 MHz 的 LVDS 差分时钟给FPGA芯片。顶层通过 IBUFDS 将该差分时钟转换为内部单端工作时钟，用于内容LED 和风扇驱动模块。

<samp>时钟与复位信号</samp>

rst_n 为复位信号，由复位按键SW13提供。按键低电平有效，当按键按下时，模块将会被复位，LED PWM 状态、风扇计数器和风扇占空比均清零；松开后两个模块重新开始工作。

<kbd>复位按键（低电平有效）</kbd>

3.2 LED 呼吸灯

pwm_led.v 使用 14 位计数器 cnt 产生 PWM 周期，使用 duty 表示当前高电平宽度，并通过 dir 控制亮度增加或减小。参数 PWM_PERIOD 为 16330。

PWM 频率约为：

<p align="center"><strong>f_LED_PWM = 266.67 MHz ÷ 16330 ≈ 16.33 kHz</strong></p>

每完成一个 PWM 周期，duty 改变 1。当亮度从 0 增加到 16330，再减小到 0 时形成一次完整呼吸：

<p align="center"><strong>T_breath = (2 × 16330 × 16330) ÷ (266.67 × 10⁶) ≈ 2.00 s</strong></p>

8 个 LED 共用同一个 PWM，因此同步渐亮和渐暗。LED 与 FPGA 的对应关系如下：

<samp>LED与FPGA关键对应关系</samp>

3.3 拨码开关控制

开发板上的 SW8 是一个八位拨码开关，原理图信号为 GPIO_DIP_SW_B0～B7。每一路输入均带有下拉电阻：拨码开关断开时，FPGA 读到低电平；拨到导通位置时，FPGA 读到高电平。

<kbd>8路拨码开关电路</kbd>

顶层使用下式生成 LED 输出：

assign led = (key) ? 8'h00 : ({8{pwm_out}} & ~gpio_sw);

当五个普通按键全部松开时，gpio_sw[i] 只控制同序号的 led[i]：拨码位为 0 时，对应 LED 跟随呼吸 PWM；拨码位为 1 时，对应 LED 被屏蔽并保持熄灭。因此，SW8 的每一位都可以独立选择一个 LED 是否参与同步呼吸。拨码开关只影响最终 LED 输出，不会暂停或清零 pwm_led 内部的计数和亮度状态。

<samp>拨码开关与LED对应关系</samp>

3.4 按键控制

开发板上设计有SW6、SW7、SW9、SW11 和 SW12 五路用户按键，按键按下时为高电平，释放为低电平。

<kbd>用户按键电路</kbd>

工程使用这五个按键屏蔽LED输出，当任意一个按键被按下时，顶层会将8路 LED 输出置为 8'h00；只有五个按键全部松开后，LED 才会继续显示当前呼吸阶段。五个按键只用于屏蔽 LED 输出，不会清零 pwm_led 内部状态。

原理图中的 GPIO_SW_W、GPIO_SW_N、GPIO_SW_S、GPIO_SW_C 和 GPIO_SW_E 是硬件网络名称，不代表本实验将它们作为方向键使用。实验操作和现象说明统一按板上丝印 SW6、SW7、SW9、SW11 和 SW12 识别，五路信号均作为相互独立的普通按键处理。

<samp>用户按键</samp>

普通按键的控制优先级高于拨码开关。只要 SW6、SW7、SW9、SW11 或 SW12 中任意一个按下，8 个 LED 都会立即熄灭；全部松开后，各 LED 再按照 SW8 当前状态恢复显示。

3.5 风扇 PWM

设计通过 pwm_fan.v 产生约 25 kHz PWM用于驱动风扇。由于顶层传入的时钟频率 CLK_FREQ 为 266670000，模块预设的PWM频率 PWM_FREQ 为 25000，因此整数计数周期为：

<p align="center"><strong>PWM_PERIOD = CLK_FREQ ÷ PWM_FREQ = 266670000 ÷ 25000 = 10666</strong></p>

实际 PWM 频率约为：

<p align="center"><strong>f_FAN_PWM = CLK_FREQ ÷ PWM_PERIOD = 266670000 ÷ 10666 ≈ 25.002 kHz</strong></p>

PWM用于驱动风扇为主控散热，因此PWM的占空比被设置为与温度相关。温度与 duty_cycle 的对应关系如下：

<samp>温度与PWM占空比</samp>

设计顶层将温度设定为了固定值 temp_input=80，因此：

<p align="center"><strong>duty_cycle = (80 − 40) × 6 = 240</strong></p>

PWM 比较阈值采用 (duty_cycle × PWM_PERIOD) >> 8，等效除以 256。当前温度 80 ℃对应 9999 个高电平计数，高电平比例约为 93.75%。duty_cycle=255 时高电平比例约为 99.6%，并非严格的持续高电平。

4. 仿真验证

4.1 运行仿真

1. 启动 Vivado 2026.1；
2. 打开 led_dip_sw_fan.xpr；
3. 确认 Design Sources 顶层为 Top，Simulation Sources 顶层为 tb_top；
4. 选择 Run Simulation → Run Behavioral Simulation；
5. 等待测试运行到 $finish；
6. 查看 Tcl Console、simulate.log 和波形窗口。

4.2 测试内容

tb_top.sv 采用自动判定方式，覆盖以下内容：

1. 低有效异步复位能否清零 LED 和风扇状态；
2. 两次完整的 LED 亮度扫描；
3. 亮度 0、1、8165、16329 和 16330 下的完整 PWM 帧；
4. SW8 全为 0、全为 1，以及八种单独一位置 1 时的 LED 输出；
5. 5 位按键信号的全部 32 种组合；
6. SW6、SW7、SW9、SW11 和 SW12 分别按下和松开时，呼吸状态是否连续；
7. 温度 30、50、70 和 90 下的风扇占空比及 PWM 高电平计数。

测试平台通过层次化访问加速 LED 亮度扫描，并通过 force 临时替换顶层固定的温度值。因此仿真中的四个温度只用于验证 pwm_fan 映射，综合后的板级设计仍固定为温度 80℃。

4.3 仿真波形分析

4.3.1 总体波形

<kbd>LED与风扇总体仿真波形</kbd>

总体波形按测试平台的执行顺序展示了两轮加速亮度扫描、典型亮度 PWM 帧、中途复位、输入控制和四个温度点的风扇 PWM 验证。拨码开关的 10 种状态持续时间很短，在本图的约 700 μs 时间尺度下集中在复位之后，具体对应关系见下一幅局部波形。

LED 波形中的 duty 会依次出现 0、1、8165、16329 和 16330 等数值。这些跳变由测试平台主动设置，用于缩短仿真时间并检查最低亮度、中间亮度、接近最大亮度和最大亮度等边界情况，并非计数器工作异常。完成这些定点检查后，duty 出现 8165、8166、8167 的连续变化，则是呼吸灯模块恢复运行后的正常自增过程。

4.3.2 拨码开关控制波形

<kbd>SW8 拨码开关控制 LED 的局部仿真波形</kbd>

红框内 key 保持为 00，pwm_out 轨迹保持高电平，因此可以直接观察拨码开关对 LED 输出的屏蔽作用。gpio_sw 依次取 00、FF、01、02、04、08、10、20、40 和 80，对应的 led 依次为 FF、00、FE、FD、FB、F7、EF、DF、BF 和 7F。结果表明，某一拨码位为 1 时，同序号 LED 输出变为 0；其余位仍保持高电平。

10 种状态检查完成后，gpio_sw=01 时将 key 置为 01，led 立即由 FE 变为 00；key 恢复为 00 后，led 回到 FE，说明普通按键的全局关闭优先级高于拨码开关。随后在 pwm_out=0 时施加 gpio_sw=80，led 仍为 00，也符合呼吸 PWM 低电平阶段的预期结果。

4.3.3 按键控制波形

<kbd>普通按键门控LED的局部仿真波形</kbd>

按键波形中，key=5'b00000 表示五个普通按键均处于松开状态，LED 按当前 PWM 相位在 8'hFF 和 8'h00 之间切换。当 SW9、SW7、SW11、SW12 或 SW6 中任意一个按下时，key 分别出现 01、02、04、08 或 10，顶层立即将 led 置为 8'h00。按键松开、key 回到 00 后，LED 继续显示当前呼吸状态。

波形左侧较密集的绿色区域对应 5 位按键信号全部 32 种组合的快速遍历；右侧则将五个按键逐个按下和松开，便于核对每一路按键的控制结果。按键仅屏蔽 LED 输出，不会复位或暂停 pwm_led 内部的亮度变化。

4.3.4 风扇温度与 PWM

总体波形下半部分依次给出 30 ℃、50 ℃、70 ℃和 90 ℃四个温度点。随着 temp_input 升高，duty_cycle 依次变为 0、60、180 和 255，fan 的高电平持续时间随之增加。由于总体图的时间跨度较大，脉宽差异主要用于定性观察，准确的高电平计数以自检结果和下表为准。

<samp>风扇温度点与PWM仿真结果</samp>

波形中可重点观察 temp_input、duty_cycle、pwm_counter 和 fan。温度改变后的下一个时钟沿，duty_cycle 更新；随后一个完整风扇 PWM 周期中的高电平宽度随之改变。

LED 仿真采用加速方法，波形总时长不能直接作为实物呼吸周期；实物完整呼吸周期仍约为 2 s。

4.4 仿真结果判定

除了仿真波形，设计还会通过TCL打印仿真结果：

PASS two accelerated sweeps: 0 -> 16330 -> 0; no overflow/underflow
PASS PWM frame: level=0 high_cycles=0 period=16330
PASS PWM frame: level=1 high_cycles=1 period=16330
PASS PWM frame: level=8165 high_cycles=8165 period=16330
PASS PWM frame: level=16329 high_cycles=16329 period=16330
PASS PWM frame: level=16330 high_cycles=16330 period=16330
PASS mid-run asynchronous reset
Breathing period: 533337800 clocks / 266670000 Hz = 1.999991750 seconds
PASS DIP switch: all-zero, all-one and 8 one-hot patterns; key override passed
PASS breathing continues while DIP switch masks LED outputs
PASS LED gate: all 32 key combinations at both PWM levels
PASS all 5 individual press/release sequences; breathing continues while blanked
PASS fan PWM: temp=30 duty=0/255 high_cycles=0 period=10666
PASS fan PWM: temp=50 duty=60/255 high_cycles=2499 period=10666
PASS fan PWM: temp=70 duty=180/255 high_cycles=7499 period=10666
PASS fan PWM: temp=90 duty=255/255 high_cycles=10624 period=10666
ALL LED, DIP SWITCH AND FAN CHECKS PASSED

结果表明 LED PWM、SW8 拨码控制、普通按键优先级、复位和风扇 PWM 均通过行为级仿真。拨码部分检查全 0、全 1 以及八种单独一位置 1，共 10 种状态；同时确认拨码开关只屏蔽 LED 输出，不会暂停内部呼吸计数。

5. 板级验证

5.1 硬件准备与连接

烧录验证之前，需要准备 SU200P 开发板、配套电源、JTAG 下载器和兼容的四线 12 V 风扇。所有接线和跳帽调整均应在断电状态下完成。

1. 确认 SW8 的 8 位拨码开关均处于断开位置；
2. 将四线风扇连接到 J42；
3. 将 J41 的 2–3 脚短接，选择由 FPGA 驱动风扇 PWM；
4. 连接 JTAG 下载器；
5. 连接开发板电源并上电。

<kbd> 硬件连接图</kbd>

5.2 下载步骤

1. 进入 Open Hardware Manager；
2. 选择 Open Target → Auto Connect；
3. 确认识别到 xcsu200p；
4. 右键器件，选择 Program Device；
5. 选择对应的 Top.pdi；
6. 单击 Program。

JTAG 下载为易失性配置，开发板断电后需要重新下载。

5.3 预期现象与实测结果

下载配套 PDI 并释放复位后，可以依次观察 LED 呼吸、拨码开关、普通按键、复位和风扇输出。下面结合实测照片说明主要现象。

5.3.1 LED 呼吸效果

<kbd>LED呼吸过程中的较低亮度状态</kbd>

<kbd>LED呼吸过程中的较高亮度状态</kbd>

当 SW8 的 8 位拨码开关均处于断开状态，且没有按下普通按键时，LED1～LED8 同步参与呼吸显示。两张照片分别记录了呼吸过程中的不同亮度瞬间，可以看到 8 个 LED 的亮度同步变化。实际观察时，LED 会由暗逐渐变亮，再由亮逐渐变暗，完整呼吸周期约为 2 s。

照片只能记录某一时刻的亮度，判断呼吸功能时应连续观察一个或多个完整周期，确认亮度变化平滑且各 LED 保持同步。

5.3.2 拨码开关控制

<kbd>拨码开关屏蔽单路LED</kbd>

SW8 的每一位分别控制一路 LED 是否输出。图中拨动其中一位后，对应 LED 熄灭，其余 LED 仍保持相同的呼吸节奏。将该位拨回断开状态后，对应 LED 会恢复到当前呼吸亮度，而不是从最低亮度重新开始，这说明拨码开关只屏蔽最终输出，没有停止 pwm_led 内部的亮度计数。

依次拨动 SW8 的第 1～8 位时，应分别影响对应的 LED1～LED8；SW8 全部导通时 8 个 LED 全部熄灭，全部断开时 8 个 LED 均参与呼吸。

5.3.3 普通按键控制

<kbd>普通按键关闭全部LED</kbd>

按下 SW6、SW7、SW9、SW11 或 SW12 中的任意一个普通按键时，顶层门控逻辑关闭全部 LED 输出，因此图中 8 个 LED 同时熄灭。松开按键后，各 LED 按照 SW8 当前状态继续显示；未被拨码开关屏蔽的 LED 恢复当前呼吸亮度。

该现象也验证了普通按键具有高于拨码开关的关闭优先级：只要任意普通按键处于按下状态，无论 SW8 如何设置，LED 输出均保持关闭。

5.3.4 复位与风扇

按下 SW13 时，LED 输出熄灭，LED 呼吸状态和风扇 PWM 状态同时复位；松开后，LED 从最低亮度重新开始呼吸，风扇重新输出 PWM。

当前顶层将温度值固定为 80，风扇占空比约为 93.75%，因此连接 J42 并将 J41 的 2～3 脚短接后，风扇应以较高转速运行。

综合上述现象，LED 呼吸、SW8 分路控制、普通按键统一关闭、SW13 复位和风扇 PWM 功能均与设计预期一致。

6. 总结与扩展

本实验实现了 8 路同步呼吸灯和约 25 kHz 风扇 PWM。SW8 八位拨码开关可分别屏蔽对应 LED，SW6、SW7、SW9、SW11 和 SW12 用于临时熄灭全部 LED，SW13 同时复位 LED 与风扇模块。三类输入各司其职，并由顶层逻辑确定清晰的控制优先级。

自检测试验证了亮度扫描、代表性 LED PWM 帧、SW8 的 10 种状态、普通按键组合、复位以及温度 30、50、70 和 90 下的风扇 PWM。板级验证仍需使用本次修改后重新生成的 PDI。

当前板级设计将温度固定为 80，因此风扇输出约 93.75% 占空比。后续可接入真实温度传感器，修正 40～80 ℃到 0～100% 的映射，并利用风扇测速信号实现闭环转速控制。