【正点原子FPGA连载】第十二章呼吸灯实验--摘自【正点原子】超越者之FPGA开发指南 V1.1

正点原子运营 · 发表于 2021-1-11 12:38:50

本帖最后由正点原子运营于 2021-1-18 16:18 编辑

1）实验平台：正点原子超越者FPGA开发板
2）平台购买地址：https://item.taobao.com/item.htm?&id=631660290421
3）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz-chaoyuezhe.html
4）本章实例源码下载：

第十二章呼吸灯实验.zip (209.83 KB, 下载次数: 21)
5）正点原子FPGA交流群：905624739 点击加入：
6）关注正点原子公众号，获取最新资料更新

第十二章呼吸灯实验

呼吸灯最早由苹果公司发明并应用于笔记本睡眠提示上，其一经展出，立刻吸引众多科技厂商争相效仿，并广泛用于各种电子产品中，尤其是智能手机。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。

本章分为以下几个章节：

1

1.1 简介

1.2 实验任务

1.3 硬件设计

1.4 程序设计

1.5 下载验证

简介

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（PulseWidth 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。

PWM占空比调节示意图如下图所示：

图12.1.1 呼吸灯PWM占空比示意图

由上图可知，LED高电平的时间由长渐渐变短，再由短渐渐变长，如果LED灯是高电平点亮，则LED灯会呈现出亮度由亮到暗，再由暗到亮的过程。

实验任务

本节实验任务是使用超越者开发板上的LED，实现呼吸灯的效果，即由灭渐亮，然后再由亮渐灭。

硬件设计

LED原理图与“流水灯实验”完全相同，请参考“流水灯实验”硬件设计部分。由于LED灯在前面相应的章节中已经给出它们的管脚列表，这里不再列出管脚分配。

程序设计

本次实验的模块端口及结构框图如下图所示。

图12.4.1 模块端口及信号连接图

周期信号计数器用于产生驱动LED的脉冲信号，本次实验的周期信号频率为1Khz，其占空比由后级逻辑在每个周期之后进行递增或递减，最后再对当前计数值和占空比计数值进行比较，以输出占空比可调的脉冲信号。

呼吸灯代码如下：

<font size="4">module breath_led(
input sys_clk ， //时钟信号50Mhz
input sys_rst_n ， //复位信号
output 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) ? 1'b1 : 1'b0;
//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
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</font>

复制代码

第21-28行是1KHz周期信号的计数器，用于产生1KHz的LED驱动信号。第31-52行的always块为占空比设定模块，每次计数完了一个周期，就根据递增/递减标志来对占空比计数值（duty_cycle）进行递增/递减25个计数值，这个递增或者递减的数值大小可以用来控制呼吸灯的呼吸频率。

如果占空比计数值（duty_cycle）已经递增到了最大，则呼吸灯已经处于最亮的状态，接下来开始递减；反之，如果占空比计数至已经递减到了最小，即0，则呼吸灯处于熄灭的状态，接下来开始递增；如此循环往复，最终实现了呼吸灯的效果。

在代码的第18行通过组合逻辑把当前的周期计数值和占空比计数值进行比较，来判断LED的输出电平。在一个周期内，如果当前的周期计数值小于等于占空比计数值，则LED输出高电平，即点亮；如果当前的周期计数值大于占空比计数值，则LED输出低电平，即熄灭。

下载验证

首先我们打开呼吸灯工程，在工程所在的路径下打开breath_led/prj/breath_led文件夹，在里面找到“breath_led.xise”并双击打开。注意工程所在的路径名只能由字母、数字以及下划线组成，不能出现中文、空格以及特殊字符等。breath_led工程打开后如图 12.5.1所示。