呼吸灯——FPGA
前言
环境：
1、Quartus18.0
2、vscode
3、板子型号：EP4CE6F17C8
要求：
将四个LED灯实现循环从亮到灭、灭到亮的过程。下面我使用了两种方法供大家阅读。
一、呼吸灯是什么？
呼吸灯其实是在微处理器的控制下，由暗渐亮、然后再由亮渐暗，模仿人呼吸方式的 LED 灯。
1、介绍
呼吸灯采用 PWM 的方式，在固定的频率下，通过调整占空比的方式来控制 LED 灯亮度的变化。PWM（Pulse Width Modulation），即脉冲宽度调制，它利用微处理器输出的 PWM 信号，实现对模拟电路控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制等领域。
在由计数器产生的固定周期的 PWM 信号下，如果其占空比为 0，则 LED 灯不亮；如果其占空比为100%，则 LED 灯最亮。所以将占空比从 0 到 100%，再从 100%到 0 不断变化，就可以实现 LED 灯的“呼吸”效果。
2、占空比调节示意图
二、系统设计
1、系统框图
2、RTL视图
-
方法一：
-
方法二：
三、源码
- 方法一：
module BREATH_LED(
input sys_clk , //时钟信号 50Mhz
input sys_rst_n , //复位信号
output [3:0] led //LED
);
//reg define
reg [15:0] period_cnt ; //周期计数器频率：1khz 周期:1ms 计数值:1ms/20ns=50000
reg [15:0] duty_cycle ; //占空比数值
reg inc_dec_flag ; //0 递增 1 递减
//*****************************************************
//** main code
//*****************************************************
//根据占空比和计数值之间的大小关系来输出 LED
assign led = (period_cnt >= duty_cycle) ? 4'b1111 : 4'b0000;
//周期计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(!sys_rst_n)
period_cnt <= 16'd0;
else if(period_cnt == 16'd50000)
period_cnt <= 16'd0;
else
period_cnt <= period_cnt + 1'b1;
end
//在周期计数器的节拍下递增或递减占空比
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if(!sys_rst_n) begin
duty_cycle <= 16'd0;
inc_dec_flag <= 1'b0;
end
else begin
if(period_cnt == 16'd50000) begin //计满 1ms
if(inc_dec_flag == 1'b0) begin //占空比递增状态
if(duty_cycle == 16'd50000) //如果占空比已递增至最大
inc_dec_flag <= 1'b1; //则占空比开始递减 else //否则占空比以 25 为单位递增
else
duty_cycle <= duty_cycle + 16'd25;
end
else begin //占空比递减状态
if(duty_cycle == 16'd0) //如果占空比已递减至 0
inc_dec_flag <= 1'b0; //则占空比开始递增
else //否则占空比以 25 为单位递减
duty_cycle <= duty_cycle - 16'd25;
end
end
end
end
endmodule
- 方法二：
module BREATH #(
parameter
TIME_US = 6'd49,
TIME_MS = 10'd999,
TIME_S = 10'd999)
(
input clk,
input rst_n,
output reg [3:0]led
);
// parameter TIME_US = 6'd49;
// parameter TIME_MS = 10'd999;
// parameter TIME_S = 10'd999;
reg [5:0] cnt_us;
reg [9:0] cnt_ms;
reg [9:0] cnt_s;
reg flag;
wire add_cnt_us;
wire end_cnt_us;
wire add_cnt_ms;
wire end_cnt_ms;
wire add_cnt_s;
wire end_cnt_s;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_us <= 6'd0;
end
else if(add_cnt_us)begin
if(end_cnt_us)begin
cnt_us <= 6'd0;
end
else begin
cnt_us <= cnt_us + 1'd1;
end
end
else begin
cnt_us <= cnt_us;
end
end
assign add_cnt_us = 1'b1;
assign end_cnt_us = add_cnt_us && cnt_us == TIME_US;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_ms <= 10'd0;
end
else if(add_cnt_ms)begin
if(end_cnt_ms)begin
cnt_ms <= 10'd0;
end
else begin
cnt_ms <= cnt_ms + 1'd1;
end
end
else begin
cnt_ms <= cnt_ms ;
end
end
assign add_cnt_ms = end_cnt_us;
assign end_cnt_ms = add_cnt_ms && cnt_ms == TIME_MS;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_s <= 10'd0;
end
else if(add_cnt_s)begin
if(end_cnt_s)begin
cnt_s <= 10'd0;
end
else begin
cnt_s <= cnt_s + 1'd1;
end
end
else begin
cnt_s <= cnt_s ;
end
end
assign add_cnt_s = end_cnt_ms;
assign end_cnt_s = add_cnt_s && cnt_s == TIME_S;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
flag <= 1'b0;
end
else if(end_cnt_s)begin
flag <= ~flag;
end
else begin
flag <= flag;
end
end
//通过比较秒与毫秒的计数大小实现占空比的变化
//因为毫秒在秒每加一后，都会重新开始，使得高低电平的占比不同
//实际上呼吸灯周期就是秒计数周期，变换的占空比大小就是循环加1或减一
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
led <= 4'b0000;
end
else if(!flag)begin
led <= (cnt_s > cnt_ms)?4'b0000:4'b1111;
end
else if(flag)begin
led <= (cnt_s > cnt_ms)?4'b1111:4'b0000;
end
else
led <= led;
end
endmodule
实际上我更喜欢第一种，代码简洁易懂。
四、效果
呼吸灯
五、总结
呼吸灯的实现过程并不难，在原有的stm32实现呼吸灯的理解下更加透彻，就是通过控制周期里占空比的变化来实现。但值得一提的是第一种实现方法确实比较精简。
六、参考资料
以上资料均来自正点原子的教学视频或开拓者2开发教程：
原子官方