《FPGA学习》-＞呼吸灯

🍎 与其担心未来，不如现在好好努力。在这条路上，只有奋斗才能给你安全感。你若努力，全世界都会为你让路。

呼吸灯，简而言之就像人类呼吸一样，有节奏的让LED灯从：灭->微微亮->微亮->亮->高亮，然后再从：高亮->亮->微亮->微微亮->灭的这样一个过程。

而LED的亮暗程度取决与电压的高低，在安全范围内，电压越高LED亮度越大，电压越低LED亮度越小。但是我们没办法去自动控制电压的高低，所以我们采用通过改变其占空比的方式来调节，即PWM（脉冲宽度调制）技术。简单来说就是在一定的时间周期内，改变高电平所占用的时间。

呼吸灯框架图如下：

PWM调制原理如下图所示：

对PWM有了了解以后，我们开始画波形图，然后对照波形图编写代码，波形图如下：

①sys_clk：时钟信号；

②sys_rst_n：复位信号，低电平有效；

③cnt_1us：因为开发板为50MHz，所以一个时钟周期为20ns，那1us秒即50个时钟周期；

④cnt_1ms：1000个1us进1；

⑤cnt_1s：1000个1ms进1；

⑥cnt_en：使能信号标志位，用来判断LED状态是否到了反转时刻；

⑦led_out：LED状态输出。

源代码如下：

module breath_led          //模块开始，定义名称为waterfall_light
#(
    parameter CNT_1US_MAX = 6'd49   ,  //定义全局变量CNT_1US_MAX，时间周期为1us 
    parameter CNT_1MS_MAX = 10'd999 ,  //定义全局变量CNT_1MS_MAX，时间周期为1ms 
    parameter CNT_1S_MAX  = 10'd999    //定义全局变量CNT_1S_MAX，时间周期为1s 
)
(
    input    wire    sys_clk   ,     //定义sys_clk为输入模式   (时钟)
    input    wire    sys_rst_n ,     //定义sys_rst_n为输入模式 (复位)
    
    output    reg        led_out          //定义led_out为寄存器类型的输出模式
);

    reg  [5:0]    cnt_1us;           //定义cnt_1us为6位宽的寄存器类型
    reg  [9:0]    cnt_1ms;           //定义cnt_1ms为10位宽的寄存器类型
    reg  [9:0]    cnt_1s ;           //定义cnt_1s为10位宽的寄存器类型
    reg          cnt_en ;           //定义cnt_en为寄存器类型
    
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    begin
        if(sys_rst_n == 1'b0)               //复位信号到来
            begin
                cnt_1us <= 6'd0;            //使cnt_1us清零
            end
        else    if(cnt_1us == CNT_1US_MAX)  //判断cnt_1us是否计数到最大值
            begin
                cnt_1us <= 6'd0;            //使cnt_1us清零
            end
        else 
            cnt_1us <= cnt_1us + 6'd1;        //使cnt_1us + 1
    end
    
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    begin
        if(sys_rst_n == 1'b0)               //复位信号到来
            begin
                cnt_1ms <= 10'd0;           //使cnt_1ms清零
            end
        else    if((cnt_1ms == CNT_1MS_MAX)&&(cnt_1us == CNT_1US_MAX))  //判断cnt_1us和cnt_1ms是否同时计数到最大值 
            begin
                cnt_1ms <= 10'd0;           //使cnt_1ms清零
            end
        else    if(cnt_1us == CNT_1US_MAX)  //判断cnt_1us是否计数到最大值
            begin
                cnt_1ms <= cnt_1ms + 10'd1;   //使cnt_1ms + 1
            end
        else 
            cnt_1ms <= cnt_1ms;
    end
    
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    begin
        if(sys_rst_n == 1'b0)               //复位信号到来
            begin
                cnt_1s <= 10'd0;           //使cnt_1s清零
            end
        else    if((cnt_1s  == CNT_1S_MAX)&& (cnt_1ms == CNT_1MS_MAX)&&(cnt_1us == CNT_1US_MAX))  //判断cnt_1us,cnt_1ms,cnt_1s是否同时计数到最大值 
            begin
                cnt_1s <= 10'd0;           //使cnt_1s清零
            end
        else    if((cnt_1ms == CNT_1MS_MAX)&&(cnt_1us == CNT_1US_MAX))  //判断cnt_1us和cnt_1ms是否同时计数到最大值 
            begin
                cnt_1s <= cnt_1s + 10'd1;  //使cnt_1s + 1
            end
        else 
            cnt_1s <= cnt_1s;              //使cnt_1s保持不变
    end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    begin
        if(sys_rst_n == 1'b0)              //复位信号到来
            begin
                cnt_en <= 1'b0;            //使cnt_1s清零
            end
        else    if((cnt_1s  == CNT_1S_MAX)&& (cnt_1ms == CNT_1MS_MAX)&&(cnt_1us == CNT_1US_MAX))  //判断cnt_1us,cnt_1ms,cnt_1s是否同时计数到最大值 
            begin
                cnt_en <= ~cnt_en;         //使cnt_en取反
            end
        else 
            cnt_en <= cnt_en;              //使cnt_en保持不变    
    end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    begin
        if(sys_rst_n == 1'b0)              //复位信号到来
            begin
                led_out <= 1'b1;            //使led_out置1
            end
        else    if(((cnt_en  == 1'b0)&&(cnt_1ms <= cnt_1s)) || ((cnt_en  == 1'b1)&&(cnt_1ms > cnt_1s))) //判断cnt_en为0且cnt_1ms计数值小于等于cnt_1s
            begin                                                                                       //或者判断cnt_en为1且cnt_1ms计数值大于cnt_1s执行
                led_out <= 1'b0;            //使led_out置0
            end
        else 
            led_out <= 1'b1;                //使led_out置1
    end
    
endmodule         //模块结束

生成的RTL电路图如下：

仿真代码如下：

`timescale 1ns/1ns               //时间尺度预编译指令      时间单位/时间精度

module tb_breath_led ();     //定义模块名称为tb_breath_led

reg        sys_clk   ;     //定义sys_clk为reg型
reg        sys_rst_n ;     //定义sys_rst_n为reg型
wire    led_out   ;     //定义led_out为reg型

breath_led                  //例化对象名称
#(
    .CNT_1US_MAX (6'd4)    ,            //改变parameter定义的参数
    .CNT_1MS_MAX (10'd9)   ,            //改变parameter定义的参数
    .CNT_1S_MAX  (10'd9)                //改变parameter定义的参数
)
breath_led_inst            //实例化名称
(
    .sys_clk      (sys_clk),       //使sys_clk信号端口例化为sys_clk
    .sys_rst_n    (sys_rst_n),     //使sys_rst_n信号端口例化为sys_rst_n
                                 
    .led_out      (led_out)        //使led_out信号端口例化为led_out
);

initial                          //初始化
    begin                        
        sys_clk   = 1'b1  ;      //使sys_clk初始化为高电平状态
        sys_rst_n = 1'b0  ;      //使sys_clk初始化为低电平状态
        #20                      //延时20ns
        sys_rst_n = 1'b1  ;      //使sys_rst_n电平拉高
    end                          
                                 
always #10 sys_clk = ~sys_clk;   //使sys_clk电平10ns电平状态反转一次
    
endmodule            //模块结束

仿真波形如下：

从图中可以看出，运行后的仿真波形与设计需求保持一致，任务完成。

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