-
09 呼吸灯
呼吸灯简介
呼吸灯实际展示的效果就是一个 LED 灯的亮度由亮到暗，再由暗到亮的变化过程，并且该过程是循环往复的，像呼吸一样那么有节奏。 呼吸灯通常是采用 PWM(Pulse Width Modulation，即脉冲宽度调制) 的方式实现，在 PWM 频率固定的情况下，通过调整其占空比来控制 LED 灯亮度的变化。
在固定周期的 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。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，PWM 占空比调节示意图如下所示：
PWM信号的产生
可以使用1个寄存器和一个比较值来控制 PWM 信号的产生，寄存器进行周期计数，控制 PWM 的周期，在计数器周期计数过程中同时将计数值与比较值比较，当周期计数器的值小于比较寄存器时输出低电平，否则输出高电平，此时通过调节比较值便可调节 PWM 占空比，调节周期计数器的最大计数值便可调节 PWM 的周期，PWM 信号产生原理如下图所示：
原理图
LED0 到 LED3 这 4 个发光二极管的阴极分别连到 S8050（NPN 三极管）的集电极上，阳极都与 3.3V 电压相连，三极管的基极分别与 FPGA 相连，这是由于 FPGA 的 IO 口的电压只有 1.5V，电压较低，所以此处连接三极管是为了起到放大电压的作用。这样就可以通过改变三极管的状态来控制 LED 的亮灭。当 FPGA 输出到为高电平时，三极管导通，LED 灯亮；当 FPGA 输出到为低电平时，三极管截止，LED 灯灭。
此实验中只用到了LED0系统框图
系统框图如下，包括两部分，分别是产生PWM信号的PWM模块和控制PWM占空比的呼吸灯模块
编写代码
PWM信号生成模块
PWM信号生成模块包含一个周期计数器和一个比较值，比较值通过模块外部输入的占空比结合PWM周期转换得到（这里由呼吸灯模块进行占空比控制），模块代码如下：
`timescale 1ns / 1ns module pwm_generate ( input sys_clk, //系统时钟 input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效 input [31:0] period, //PWM周期 input [31:0] duty_cycle, //PWM占空比 output pwm_out //输出的PWM信号 ); //PWM周期 wire [31:0] pwm_period; //PWM比较值 wire [31:0] pwm_compare; //周期计数器，用于控制PWM周期 reg [31:0] count; //PWM周期，不能小于1 assign pwm_period = (period < 1) ? 1 : period; //将PWM占空比转换为比较值 assign pwm_compare = (duty_cycle < period) ? (period - duty_cycle) : 0; //周期计数器的值小于比较寄存器时输出低电平，否则输出高电平 assign pwm_out = (count < pwm_compare) ? 0 : 1; //进行周期计数，用于控制PWM输出周期 always @(posedge sys_clk) begin if(!sys_rst_n) count <= 0; else if(count < (period - 1)) count = count + 1; else count <= 0; end endmodule- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- 33
- 34
- 35
- 36
- 37
- 38
- 39
PWM信号生成模块仿真激励代码
PWM信号生成模块仿真激励代码很简单，就是在周期产生时钟信号的同时调整PWM占空比即可，代码如下：
`timescale 1ns / 1ns //仿真单位/仿真精度 module tb_pwm_generate(); reg sys_clk; //时钟 reg sys_rst_n; //复位 reg [31:0] duty_cycle; //占空比 wire pwm_out; //PWWM信号 initial begin sys_clk = 1'b0; sys_rst_n = 1'b0; duty_cycle = 0; #200 sys_rst_n = 1'b1; //占空比为1 #1000 duty_cycle = 1; //占空比为2 #1000 duty_cycle = 2; //占空比为3 #1000 duty_cycle = 3; //占空比为4 #1000 duty_cycle = 4; //占空比为5 #1000 duty_cycle = 5; //占空比为6 #1000 duty_cycle = 6; //占空比为7 #1000 duty_cycle = 7; //占空比为8 #1000 duty_cycle = 8; //占空比为9 #1000 duty_cycle = 9; //占空比为10 #1000 duty_cycle = 10; end //产生时钟 always #10 sys_clk = ~sys_clk; pwm_generate u_tb_pwm_generate_inst ( .sys_clk(sys_clk), //系统时钟 .sys_rst_n(sys_rst_n), //系统复位，低电平有效 .period(10), //PWM周期 .duty_cycle(duty_cycle), //PWM占空比 .pwm_out(pwm_out) //输出的PWM信号 ); endmodule- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- 33
- 34
- 35
- 36
- 37
- 38
- 39
- 40
- 41
- 42
- 43
- 44
- 45
- 46
- 47
- 48
- 49
- 50
- 51
- 52
- 53
- 54
- 55
- 56
- 57
- 58
- 59
- 60
- 61
- 62
- 63
- 64
- 65
- 66
- 67
- 68
- 69
- 70
- 71
呼吸灯模块
呼吸灯模块用于向PWM模块输出一个占空比，内部包含以下几个部分：
- 一个周期计数器，用于控制PWM占空比调节的间隔
- 根据占空比调节方向调节占空比
- 记录占空比调节次数
- 当占空比连续递增（递减）到指定次数时说明占空比达到最大（最小），此时改变占空比调节方向标志
完整的代码如下：
`timescale 1ns / 1ns module breath_led #( parameter PWM_PERIOD = 100_000, //pwm信号的周期 parameter BREATH_PERIOD = 100_000_000, //呼吸灯周期 parameter BRIGHT_LEVEL = 100 //亮度等级 ) ( input sys_clk, //系统时钟 input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效 output reg [31:0] duty_cycle //PWM占空比 ); //PWM占空比调节步进，分100个亮度等级进行占空比调节 localparam DUTY_CYCLE_STEP = PWM_PERIOD / BRIGHT_LEVEL; //PWM占空比调节间隔，分100个亮度等级进行占空比调节 localparam STEP_INTERVAL = BREATH_PERIOD / BRIGHT_LEVEL; //周期计数器，用于控制PWM占空比调节间隔 reg [31:0] period_count; //占空比调节次数计数器，用于记录调节占空比的次数 reg [31:0] step_count; //占空比调节方向控制，为0占空比加，为1占空比减 reg inc_dec_flag; //进行周期计数，用于控制PWM占空比调节间隔 always @(posedge sys_clk) begin if(!sys_rst_n) period_count <= 0; else if(period_count < (STEP_INTERVAL - 1)) period_count <= period_count + 1; else period_count <= 0; end //根据占空比调节方向标志进行占空比调节，控制LED亮度 always @(posedge sys_clk) begin if(!sys_rst_n) duty_cycle <= 0; else if(period_count == (STEP_INTERVAL - 1)) begin if((inc_dec_flag == 1'b0) && ((PWM_PERIOD - duty_cycle) >= DUTY_CYCLE_STEP)) duty_cycle <= duty_cycle + DUTY_CYCLE_STEP; else if((inc_dec_flag == 1'b1) && (duty_cycle >= DUTY_CYCLE_STEP)) duty_cycle <= duty_cycle - DUTY_CYCLE_STEP; end end //记录调节占空比的次数 always @(posedge sys_clk) begin if(!sys_rst_n) step_count <= 0; else if(period_count == (STEP_INTERVAL - 1)) begin if(step_count < (BRIGHT_LEVEL - 1)) step_count <= step_count + 1; else step_count <= 0; end end //占空比调节方向控制，为0占空比加，为1占空比减 //当占空比连续递增（递减）到指定次数时说明占空比达到最大（最小），此时改变占空比调节方向标志 always @(posedge sys_clk) begin if(!sys_rst_n) inc_dec_flag <= 0; else if(period_count == (STEP_INTERVAL - 1)) begin if(step_count == (BRIGHT_LEVEL - 1)) inc_dec_flag <= ~inc_dec_flag; end end endmodule- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- 33
- 34
- 35
- 36
- 37
- 38
- 39
- 40
- 41
- 42
- 43
- 44
- 45
- 46
- 47
- 48
- 49
- 50
- 51
- 52
- 53
- 54
- 55
- 56
- 57
- 58
- 59
- 60
- 61
- 62
- 63
- 64
- 65
- 66
- 67
- 68
- 69
- 70
- 71
- 72
呼吸灯模块仿真激励代码
呼吸灯模块仿真激励代码非常简单，只需要产生激励时钟即可，代码如下：
`timescale 1ns / 1ns //仿真单位/仿真精度 module tb_breath_led(); reg sys_clk; //时钟 reg sys_rst_n; //复位 wire [31:0] duty_cycle; //占空比 initial begin sys_clk = 1'b0; sys_rst_n = 1'b0; #200 sys_rst_n = 1'b1; end //产生时钟 always #10 sys_clk = ~sys_clk; breath_led #( .PWM_PERIOD(100), //pwm信号的周期 .BREATH_PERIOD(10_000), //呼吸灯周期 .BRIGHT_LEVEL(10) //亮度等级 ) u_tb_breath_led_inst( .sys_clk(sys_clk), //系统时钟 .sys_rst_n(sys_rst_n), //系统复位，低电平有效 .duty_cycle(duty_cycle) //PWM占空比 ); endmodule- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
顶层模块
顶层模块主要用于例化PWM生成模块和呼吸灯模块，并将两个模块进行关联，代码如下：
`timescale 1ns / 1ns module top_breath_led #( parameter PWM_PERIOD = 100_000, //pwm信号的周期 parameter BREATH_PERIOD = 100_000_000, //呼吸灯周期 parameter BRIGHT_LEVEL = 100 //亮度等级 ) ( input sys_clk, //系统时钟 input sys_rst_n, //系统复位，低电平有效 output led //LED ); //PWM占空比 wire [31:0] duty_cycle; //例化呼吸灯模块 breath_led #( .PWM_PERIOD(PWM_PERIOD), //pwm信号的周期 .BREATH_PERIOD(BREATH_PERIOD), //呼吸灯周期 .BRIGHT_LEVEL(BRIGHT_LEVEL) //亮度等级 ) u_breath_led_inst ( .sys_clk(sys_clk), //系统时钟 .sys_rst_n(sys_rst_n), //系统复位，低电平有效 .duty_cycle(duty_cycle) //PWM占空比 ); //例化PWM发生模块 pwm_generate u_pwm_generate_inst ( .sys_clk(sys_clk), //系统时钟 .sys_rst_n(sys_rst_n), //系统复位，低电平有效 .period(PWM_PERIOD), //PWM周期 .duty_cycle(duty_cycle), //PWM占空比 .pwm_out(led) //PWM，用于控制LED ); endmodule- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- 33
- 34
- 35
- 36
- 37
- 38
- 39
- 40
- 41
- 42
顶层模块仿真激励代码
顶层模块仿真激励代码非常简单，只需要产生激励时钟即可，代码如下：
`timescale 1ns / 1ns //仿真单位/仿真精度 module tb_top_breath_led(); reg sys_clk; //时钟 reg sys_rst_n; //复位 wire led; //LED initial begin sys_clk = 1'b0; sys_rst_n = 1'b0; #200 sys_rst_n = 1'b1; end //产生时钟 always #10 sys_clk = ~sys_clk; top_breath_led #( .PWM_PERIOD(10), //pwm信号的周期 .BREATH_PERIOD(1000), //呼吸灯周期 .BRIGHT_LEVEL(10) //亮度等级 ) u_tb_top_breath_led_inst ( .sys_clk(sys_clk), //系统时钟 .sys_rst_n(sys_rst_n), //系统复位，低电平有效 .led(led) //LED ); endmodule- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
约束输入
管脚分配如下：
XDC 约束语句如下：#时序约束 create_clock -period 20.000 -name sys_clk [get_ports sys_clk] #IO 管脚约束 set_property -dict {PACKAGE_PIN R4 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports sys_clk] set_property -dict {PACKAGE_PIN U7 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports sys_rst_n] set_property -dict {PACKAGE_PIN V9 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports led]- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
-
相关阅读:
2022杭电多校第四场题解
Java poi 后台导出Excel
PHP 自习室空位查询系统mysql数据库web结构apache计算机软件工程网页wamp计算机毕业设计
Flowable 的使用
Android图片圆角转换 RoundedImageView开源项目 小记(1)
数据库主从恢复
C4D遇到的动力学模拟问题怎么办？看完本文就知道
java 迭代器 Iterator
机器学习——PPO补充
寒假训练——第二周（BFS）
- 原文地址：https://blog.csdn.net/lf282481431/article/details/136220782
