FPGA实战篇（呼吸灯实验）

1.呼吸灯简介

        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。

        PWM 占空比调节示意图如下图所示：

        由上图可知，LED 高电平的时间由长渐渐变短，再由短渐渐变长，如果 LED 灯是高电平点亮，则 LED灯会呈现出亮度由亮到暗，再由暗到亮的过程。

2.实验任务

        本节实验任务是使用正点原子 ZYNQ 开发板（核心板）上的 PL LED ，实现呼吸灯的效果，即由灭渐亮，然后再由亮渐灭。

3.硬件设计

        发光二极管的原理图如下图所示，PL LED 发光二极管位于核心板上，其阴极通过 330 欧姆的电阻连到地（GND ），阳极与 ZYNQ 的 IO 相连， LED 与地之间的电阻起到限流作用。当 PL_LED 输出高电平时，点亮 LED 灯，当 PL LED 输出低电平时， LED 灯熄灭。

        本实验中，系统时钟、按键复位以及 LED 端口的管脚分配如下表所示：

4.程序设计

        本次实验的模块端口及结构框图如下图所示。

        周期信号计数器用于产生驱动 LED 的脉冲信号，本次实验的周期信号频率为 1Khz ，其占空比由后级逻辑在每个周期之后进行递增或递减，最后再对当前计数值和占空比计数值进行比较，以输出占空比可调的 脉冲信号。

        呼吸灯代码如下：

1 module breath_led(
2 input sys_clk , //时钟信号 50Mhz
3 input sys_rst_n , //复位信号
4 
5 output led //LED
6 );
7 
8 //reg define
9 reg [15:0] period_cnt ; //周期计数器频率：1khz 周期:1ms 计数值:1ms/20ns=50000
10 reg [15:0] duty_cycle ; //占空比数值
11 reg inc_dec_flag ; //0 递增 1 递减
12
13 //*****************************************************
14 //** main code
15 //*****************************************************
16
17 //根据占空比和计数值之间的大小关系来输出 LED
18 assign led = (period_cnt >= duty_cycle) ? 1'b1 : 1'b0;
19
20 //周期计数器
21 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
22 if(!sys_rst_n)
23 period_cnt <= 16'd0;
24 else if(period_cnt == 16'd50000)
25 period_cnt <= 16'd0;
26 else
27 period_cnt <= period_cnt + 1'b1;
28 end
29
30 //在周期计数器的节拍下递增或递减占空比
31 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
32 if(!sys_rst_n) begin
33 duty_cycle <= 16'd0;
34 inc_dec_flag <= 1'b0;
35 end
36 else begin
37 if(period_cnt == 16'd50000) begin //计满 1ms
38 if(inc_dec_flag == 1'b0) begin //占空比递增状态
39 if(duty_cycle == 16'd50000) //如果占空比已递增至最大
40 inc_dec_flag <= 1'b1; //则占空比开始递减
41 else //否则占空比以 25 为单位递增
42 duty_cycle <= duty_cycle + 16'd25;
43 end
44 else begin //占空比递减状态
45 if(duty_cycle == 16'd0) //如果占空比已递减至 0
46 inc_dec_flag <= 1'b0; //则占空比开始递增
47 else //否则占空比以 25 为单位递减
48 duty_cycle <= duty_cycle - 16'd25;
49 end
50 end
51 end
52 end
53
54 endmodule

        第 21-28 行是 1KHz 周期信号的计数器，用于产生 1KHz 的 LED 驱动信号。第 31-52 行的 always 块为占空比设定模块，每次计数完了一个周期，就根据递增/ 递减标志来对占空比计数值（ duty_cycle）进行递增/递减 25 个计数值，这个递增或者递减的数值大小可以用来控制呼吸灯的呼吸频率。

        如果占空比计数值（duty_cycle ）已经递增到了最大，则呼吸灯已经处于最亮的状态，接下来开始递减； 反之，如果占空比计数至已经递减到了最小，即 0 ，则呼吸灯处于熄灭的状态，接下来开始递增；如此循环往复，最终实现了流水灯的效果。

        在代码的第 18 行通过组合逻辑把当前的周期计数值和占空比计数值进行比较，来判断 LED 的输出电平。在一个周期内，如果当前的周期计数值小于等于占空比计数值，则 LED 输出高电平，即点亮；如果当前的周期计数值大于占空比计数值，则 LED 输出低电平，即熄灭。

5.下载验证

        编译工程并生成比特流.bit 文件。将下载器一端连接电脑，另一端与开发板上的 JTAG 下载口连接，连接电源线，并打开开发板的电源开关。

        点击 Vivado 左侧“ Flow Navigator ”窗口最下面的“ Open Hardware Manager ”，此时 Vivado 软件识别到下载器，点击“Hardware” 窗口中“ Progam Device ”下载程序，在弹出的界面中选择“ Program ”下载程序。

        程序下载完成后，可以看到核心板的 PL LED 灯由暗慢慢变亮，再由亮慢慢变暗，即呈现出“呼吸”的效果，如下图所示：