FPGA开发——呼吸灯的设计

一、原理

       呼吸灯的原理主要基于‌PWM（脉冲宽度调制）技术，通过控制LED灯的占空比来实现亮度的逐渐变化。这种技术通过调整PWM信号的占空比，即高电平在一个周期内所占的比例，来控制LED灯的亮度。当占空比从0%逐渐变化到100%，再从100%变化回0%，就实现了灯光亮度由暗到亮，再由亮到暗的循环变化，模拟了人的呼吸效果。‌

       具体来说，PWM信号的周期是固定的，通过改变高电平的时间长度（即占空比），可以控制LED灯的亮度。例如，当占空比为0%时，LED灯不亮；当占空比为100%时，LED灯最亮。通过编程或微电脑控制，可以实时调整这些参数，从而实现灯光亮度的动态变化。‌

       此外，还有一些非PWM的实现方式，例如通过编程控制亮和灭的时间比例，虽然这种方法较为复杂且可能不如PWM技术普及，但它提供了一种不同的实现思路。总的来说，PWM技术因其简单有效和广泛的应用支持，是实现呼吸灯的主要技术手段。‌

二、实现思路

       这里我们在设计的时候采用三个周期计数器，分别是us级，ms级以及s级计数器，通过对开发板系统时钟的20ns进行分频，接着实现us计数器的设计，最后利用us计数器实现毫秒计数器，利用ms计数器实现s计数器的方法逐一完成三个计数器，最后的占空比的调整是在ms计数器进行里面设置。在计数器设计好之后利用s级计数器对于状态标志进行一个设定，用于实现呼吸灯状态的改变标志。最后实现呼吸灯的相关功能。（这里实现的是2s的呼吸灯）

三、代码编写

设计文件

module led(
    input clk,
    input rst_n,
    output  reg [3:0] led_out
);
 
//参数定义
parameter TIME_2us=1_000_000;
parameter TIME_2ms=1000-1;
parameter TIME_2s=1000-1;
 
//内部信号定义
reg  [6:0]  cnt_us;
reg  [9:0]  cnt_ms;
reg  [26:0]  cnt_s;
reg          flag;//呼吸灯亮灭标志位
wire        add_cnt_us;
wire        end_cnt_us;
wire        add_cnt_ms;
wire        end_cnt_ms;
wire        add_cnt_s;
wire        end_cnt_s;
 
 
//2us计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
    if(!rst_n)
        cnt_us<= 0;
    else if(add_cnt_us)begin
        if(end_cnt_us)
            cnt_us<=0;
        else
            cnt_us<= cnt_us+1'b1;
    end 
end 
assign add_cnt_us = 1'b1;
assign end_cnt_us = (cnt_us==7'd99) && add_cnt_us;
 
//ms计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
    if(!rst_n)
        cnt_ms<= 0;
    else if(add_cnt_ms)begin
        if(end_cnt_ms)
            cnt_ms<=0;
        else
            cnt_ms<= cnt_ms+1'b1;
    end 
end 
assign add_cnt_ms = end_cnt_us;
assign end_cnt_ms = add_cnt_ms && (cnt_ms==TIME_2ms);
 
//s计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin 
    if(!rst_n)
        cnt_s<= 0;
    else if(add_cnt_s)begin
        if(end_cnt_s)
            cnt_s<=0;
        else
            cnt_s<= cnt_s+1'b1;
    end 
end 
assign add_cnt_s = end_cnt_ms;
assign end_cnt_s = add_cnt_s && (cnt_s==TIME_2s);
 
//flag亮灭状态描述
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        flag<= 0;
    else if(end_cnt_s)
        flag<=~flag;
    else
        flag<= flag;
end
 
//功能实现
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(rst_n==1'b0)
		led_out <= 4'b0000;
	// 由灭到亮
	else if((flag == 1'b0)&&(cnt_s <= cnt_ms))
		led_out <= 4'b0000;
	else if((flag == 1'b0)&&(cnt_s > cnt_ms))
		led_out <= 4'b1111;
	
	// 由亮到灭
	else if((flag == 1'b1)&&(cnt_s < cnt_ms))
		led_out <= 4'b1111;	
	else if((flag == 1'b1)&&(cnt_s >= cnt_ms))
		led_out <= 4'b0000;
	else
		led_out <= led_out;
end 
 
endmodule

测试文件的编写

//定义时间尺度
`timescale 1ns/1ps
module led_tb();
 
//重定义
defparam  led_inst.TIME_2us=10;
defparam  led_inst.TIME_2ms=10;
defparam  led_inst.TIME_2s=10;
 
//内部变量定义
reg clk;
reg rst_n;
wire  led_out;
 
//模块实例化
led led_inst(
    /*input              */ .rst_n    (rst_n     ),
    /*input            */ .clk      (clk       ),
    /*output reg [3:0] */ .led_out  (led_out   )
);
 
//时钟
parameter CLK_CLY =20;
initial clk=0;
always  #(CLK_CLY/2) clk=~clk;
 
//复位
initial begin
    rst_n =1'b0;
    #(CLK_CLY*2);
    #3;
    rst_n =1'b1;
end 
//激励
 
endmodule

四、仿真波形图

由于我们设置的计数器技术周期和系统的周期相差过大，所以在测试文件中进行重定义来更好在波形途中观察ms周期中高低占空比的改变。

 通过波形图我们可以观察到低电平从最开始的100%慢慢变成0%，最后又会从0%变为100%，高电平从最开始的0%慢慢变成100%，最后又会从100%变为0%（这里,0000和1111的频率占空比），这里的波形图位置有限，没有拍完。

受格式的影响，这里就不放下板之后的效果，最终实现的效果就是4个LED会由暗变为亮，在由亮变暗的呼吸灯效果。