FPGA学习altera 系列 第二十篇 呼吸灯设计

今天给大侠带来“FPGA学习系列 altera"系列，持续更新。此学习心得是本人之前所写，所用设计软件为Quartus II 13.1，现Quartus II 新版本已更新到19+，以下仅供初学者学习参考。后续会更新其他系列，敬请关注。话不多说，上货。

 

 

对于每一个的小实验，我们都可以把它看作是一个小项目，逐步的去分析，设计，调试，最后完成功能。下面我们就开始我们的“小项目”。

项目名称：呼吸灯

具体要求：led灯在由亮到暗以及由暗到亮的逐渐变化。

项目分析： 

1. 要求分析

灯光在微电脑的控制之下完成由亮到暗的逐渐变化，感觉好像是人在呼吸。根据不同人群以及不用情况下的呼吸频率不同，笔者这里采取一分钟呼吸15次，呼气2秒钟，吸气2秒钟。

2. 实现原理

由于LED的亮度与流过的电流成正比，如果能够去控制流经LED的电流，使电流在2秒钟内从i=0A(0A：0安培)逐渐递增到i=XA（XA：一定的电路强度），就实现了LED的由暗到亮的逐渐变化；使电流在2秒钟内从i=XA逐渐递增到i=0A就实现了LED的由亮到暗的逐渐变化。以此为周期，不断地变化下去，就实现了呼吸灯的功能。

在数字电路中，控制电流的大小几乎是不能实现的。如果将LED在T/2内点亮，将LED在T/2内熄灭，我们会看到什么呢？人的眼睛有视觉暂留（人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉称“后像”，视觉的这一现象则被称为“视觉暂留”），若T的时间足够短，那么将会看到一直亮着的LED，亮度由点亮的时间所占T的比例决定的。

3. 实现方案

一分钟呼吸15次，呼气2秒钟，吸气2秒钟。我们先做由暗到亮，将2秒钟分成1000个时间段，每个时间段2ms。第一个时间段全部熄灭；第二个时间段2us的时间点亮，其余时间熄灭；第三个时间段4us的时间点亮，其余时间熄灭······

每个时间段为2ms，相邻两个时间段增加2us，可以理解为点亮的比例每个时间段增加千分之一。这样的话，就可以完成由暗到亮。将上述的输出波形取反，就是点亮的比例每个时间段减少千分之一，完成由亮到灭。

 

 

架构图如下：

 

系统设计：

1. 工程的名称：breathe_led

2. 实现方法：用计数器1实现2us的计时，用计数器1驱动计数器2，实现2ms的计数。用计数器1和计数器2驱动计数器3，实现2s的计数。用计数器2和计数器3进行比较，来完成占空比的调节。计数器3每增加1，计数器2都会从0增加到999，如果将计数器3数值大于计数器2数值的时间段，当作点亮的时间，那么就可以实现由暗到亮的过程了。

 

 

设计代码如下：

/*模块名称：breathe_led模块功能：呼吸灯 作者：郝旭帅邮箱：[email protected]*/module breathe_led (clk, rst_n, led);​  input clk;//50MHz，周期为20ns  input rst_n;​  output led;​  parameter T2us = 100;  parameter T2ms = 1000;  parameter T2s = 1000;​  reg [6:0] cnt1;//2us的计数器​  always @ (posedge clk or negedge rst_n)    begin      if (!rst_n)        begin          cnt1 <= 7'd0;        end      else        begin          if (cnt1 < T2us - 1)            begin              cnt1 <= cnt1 + 1'b1;            end          else            begin              cnt1 <= 7'd0;            end        end    end​  wire flag;//计时到2us时，产生一个同步脉冲​  assign flag = (cnt1 == T2us - 1) ? 1'b1 : 1'b0;​  reg [9:0] cnt2;//2ms计数器​  always @ (posedge clk or negedge rst_n)    begin      if (!rst_n)        begin          cnt2 <= 10'd0;        end      else        begin          if ((cnt2 < T2ms - 1)&&(flag))            begin              cnt2 <= cnt2 + 1'b1;            end          else            begin              if (flag)                begin                  cnt2 <= 10'd0;                end              else                begin                  cnt2 <= cnt2;                end            end        end    end​  reg [9:0] cnt3;//2s的计数器  reg change;//控制占空比由大变小或者由小变大​  always @ (posedge clk or negedge rst_n)    begin      if (!rst_n)        begin          cnt3 <= 10'd0;          change <= 1'b0;        end      else        begin        if ((cnt3 < T2s - 1)&&(cnt2 == T2ms - 1) && (flag))            begin              cnt3 <= cnt3 + 1'b1;            end          else            begin              if ((cnt2 == T2ms - 1) && (flag))                begin                  change <= ~change;                  cnt3 <= 10'd0;                end              else                begin                  cnt3 <= cnt3;                end            end        end    end​  reg led_n;​  always @ (posedge clk or negedge rst_n)    begin      if (!rst_n)        begin          led_n <= 1'b0;        end      else        begin          if (cnt3 > cnt2)            begin              led_n <= 1'b0;            end          else            begin              led_n <= 1'b1;            end        end    end​  assign led = (change == 1) ? ~led_n : led_n;​endmodule

代码解析：

1. assign led = (change == 1) ? ~led_n : led_n;

代表：当change=1时，led=~led_n，当change=0时，led=led_n。

2. cnt2清零时，必须等待flag。如果没有flag，那么cnt2的最后一个数值将只会存在一个周期。cnt3同理。

3. 当cnt3计时到最后一刻时，将change取反，输出的占空比变化情况发生改变。

 

 

激励代码如下：

/*模块名称：breathe_led_tb模块功能：为breathe_led模块提供激励信号作者：郝旭帅邮箱：[email protected]*/`timescale 1ns/1ps​module breathe_led_tb;​  reg clk;  reg rst_n;    wire led;​  parameter T2us = 2;//仿真时，时间缩短  parameter T2ms = 5;  parameter T2s = 5;​  initial begin    clk = 1'b1;    rst_n = 1'b0;    # 200.1    rst_n = 1'b1;    # 3000    $stop;  end    always # 10 clk = ~clk;//50MHz    breathe_led    #(      .T2us(T2us),//传递仿真参数      .T2ms(T2ms),      .T2s(T2s)    )    breathe_led_dut(      .clk(clk),       .rst_n(rst_n),      .led(led)    );    endmodule

 

仿真波形如下：

 

led的占空比从大到小，再从小到大，一直不断地变化下去。

如果设计要求或者本地晶振与笔者的设计不同，请自行更改设计，以保证设计的正确性。如果还是有不明白的读者可以发邮件到我邮箱或者加群询问。