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