[FPGA入门笔记]（二）：LED呼吸灯实验

1、简介

今天购买了AXLINX AX7020的开发板，从今天开始每一个例程都要做文档记录，为自己加油。
本实验，基于ALINX AX7020开发板，芯片为xc7z020clg400-2。

项目介绍：
呼吸灯，就是想人们呼吸频率的一种led灯亮灭的一种表现形式。过程是慢慢变亮，然后变亮以后又慢慢变灭的一种过程。很多初学者会认为硬件逻辑语言怎么能控制电流的高低呢，让灯有多亮就调多亮，所以觉得不好实现，其实不用担心，呼吸灯捅破窗户纸就知道，其实是一个很简单的一个小项目，下面我将一步一步的讲解，并且实现。
PWM（Pluse Width Modulation）脉冲宽度调制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
需要回顾一下占空比的小知识，通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。并广泛应用在从测量、通信、功率控制与变换及LED照明等许多领域中。顾名思义，就是占空比可调的信号，那么什么是占空比呢？
占空比（Duty Cycle or Duty Ratio），可以解释为，在一脉冲序列中（方波），正脉冲序列的持续时间与脉冲总周期的比值。也可理解为，电路释放能量的有效时间与总释放时间的比值。PWM是怎样实现调光呢？想要调节LED的亮度变化，实则是调节控制流经LED的电流。电流增大则LED亮度增强，反之减弱。但由于电流为模拟信号，所以这时就用到了PWM。

假设刚开始时占空比为1％，慢慢的占空比为2％、3％、4％……56％、57％……98％、99％、100％。
这就是LED灯亮的一个过程，我们可以让占空比为1％时，令LED灯亮，其余的部分让LED灭，慢慢的占空比越来越大，亮的部分也越来越多，这就是一个由灭到亮的一个过程。
假设刚开始时占空比为100％，慢慢的占空比为99％、98％、97％……64％、63％……2％、1％、0％。
这就是LED灯灭的一个过程，我们可以让占空比为99％时，令LED灯灭，其余的部分让LED亮，慢慢的占空比越来越小，灭的部分也越来越多，这就是一个由亮到灭的一个过程。

时钟只对着2us计数的一个时钟周期的；比如说晶振为50MHZ，那么每一个时钟周期相当于1/50M=20ns，故第一个计数器为一个2us的计数器，每计100次之后清零；第二个计数器为1ms计数器，每当2us计数器计数100次时，1ms就会增加一次。同理1s计数器也是一样。
将1s分成1000份，每一个周期为1ms，前500份由暗变亮，后500份由亮变暗
将1ms分成500份，每一个周期为2us，
将2us分成100份，每一份为20ns

我们可以看出，当cnt_1s>=cnt_1ms的部分刚好是我们上面所说的占空比的位置，而且当cnt_1s加到499的时候刚好占空比为100%，所以我们就会多了一个条件，当cnt_1s>=cnt_1ms，我们让LED亮，cnt_1s

一个完整的呼吸灯时间为1s，也就是，由亮变暗需要0.5s，由暗变亮需要0.5s；将 1s分为1000等份，也就是由亮变暗，需要500次的变化，每次为1ms，将,1ms分为500等份，占空比100%过渡到0%，需要100次的变化，每次为2us；

`timescale 1ns/1ps
module pwm_led(
    input           clk,
    input           rst_n,
    output [3:0]    leds_o
    );
    
    reg     [9:0] cnt_2us;  //将2us分成100份，每一份为20ns（50MHz）；
    reg     [9:0] cnt_1ms;  //将1ms分成500份，每周期为2us；
    reg     [9:0] cnt_1s;   //将1s分成1000份，每周期为1ms，前500由暗变亮，后500由亮边暗
    reg           flag;
    reg           pwm;
    //生成一周期2us，1/50MHz=20*10-9=20ns,20ns*100=2us
    always@(posedge clk or negedge rst_n)
    begin
        if(!rst_n)
            cnt_2us <= 10'd0;
        else    begin
        if(cnt_2us>=10'd100)
            cnt_2us <= 10'd0;
        else
            cnt_2us <= cnt_2us+1'b1;
            end
    end
    
    //生成一周期1ms,2us*500=1ms，
    always@(posedge clk or negedge rst_n)
    begin
        if(!rst_n)
            cnt_1ms <= 10'd0;
        else    begin
            if(cnt_2us==10'd99 && cnt_1ms==10'd499)
                cnt_1ms <= 10'd0;
            else 
                if(cnt_2us==10'd99)
                cnt_1ms <= cnt_1ms+1'b1;
            end
    end
   //生成一周期1s,1ms*500+1ms*500=1s;
    always@(posedge clk or negedge rst_n)
    begin
        if(!rst_n)
            cnt_1s <= 10'd0;
        else    begin
            if(cnt_2us==10'd99 && cnt_1ms==10'd499 && cnt_1s==10'd499)
                cnt_1s <= 7'd0;
            else 
                if(cnt_2us==10'd99 && cnt_1ms==10'd499)
                cnt_1s <= cnt_1s+1'b1;
            end
    end
    //使用flag信号来控制亮暗变化；
    always@(posedge clk or negedge rst_n)
    begin
        if(!rst_n)
            flag <= 1'b0;
        else if(cnt_1s==10'd499 && cnt_1ms==10'd499 && cnt_2us == 10'd99)
            flag <= ~flag;
            else
            flag <= flag;
    end
    
    always@(posedge clk or negedge rst_n)
    begin
        if(!rst_n)
            pwm <= 1'b0;  
        else if(flag == 1'b0 && cnt_1s >= cnt_1ms)
            pwm <= 1'b1;
        else if(flag == 1'b0 && cnt_1s < cnt_1ms)
            pwm <= 1'b0;
        else if(flag == 1'b1 && cnt_1s >= cnt_1ms)
            pwm <= 1'b0;
        else if(flag == 1'b1 && cnt_1s < cnt_1ms)
            pwm <= 1'b1;
        else
            pwm <= 1'b0;
    end

    assign leds_o = {4{!pwm}};//开发板LED为低有效
    

endmodule

测试代码为：

`timescale 1ns/1ps
module tb_pwm_led;
    reg         clk;
    reg         rst_n;
    wire [3:0]  leds_o;

    always #10 clk=~clk;

    initial
        begin
            clk = 1'b0;
            rst_n = 1'b0;
            #100 rst_n = 1'b1;
        end

    pwm_led uut(
        .clk(clk),
        .rst_n(rst_n),
        .leds_o(leds_o)    
        );
endmodule

仿真结果为：

同理大家可以尝试更改一下代码，实现
将1s分成1000份，每一个周期为1ms，前500份由暗变亮，后500份由亮变暗
将1ms分成500份，每一个周期为2us，
将2us分成100份，每一份为20ns

将2s分成1000份，每一个周期为2ms，前500份由暗变亮，后500份由亮变暗
将2ms分成500份，每一个周期为4us，
将4us分成200份，每一份为20ns

将4s分成2000份，每一个周期为2ms，前1000份由暗变亮，后1000份由亮变暗
将2ms分成1000份，每一个周期为2us，
将2us分成100份，每一份为20ns

将2s分成2000份，每一个周期为1ms，前1000份由暗变亮，后1000份由亮变暗
将1ms分成1000份，每一个周期为1us，
将1us分成50份，每一份为20ns