1. 掌握PWM的原理
  2. 了解LED通过PWM调亮度的方法
  3. 基于STEP-MXO2第一代平台实现周期为2s的呼吸灯设计

呼吸灯:顾名思义,灯光的亮度在控制下不断的在亮和灭之间逐渐变化,感觉好像是人在呼吸。控制LED的亮度总体有两种方法,一种是给LED灯上施加模拟信号(可以串接可调电阻或DAC输出模拟信号),通过改变流经LED上的电流控制LED灯的亮度;另一种是使用PWM,给LED灯上施加数字信号,通过调整数字信号的占空比(调整占空比 = 调整有效值)来控制LED灯的亮度。这里我们的呼吸灯就是采用第二种PWM的方法实现。

PWM脉冲宽度调制,是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。通过改变PWM的占空比从而改变输出电平的有效值,在LED的亮度上反应出来,如果占空比能够由小变大再变小,在LED上反应出的效果就是呼吸灯的效果。

脉冲信号有效值

如上图所示,脉冲信号的周期为T,高电平脉冲宽度为t,占空比为t/T。为了实现PWM脉宽调制,我们需要保持周期T不变,调整高电平脉宽t的时间,从而改变占空比。

  • 当t = 0时,占空比为0%,因为我们的LED硬件为低电平点亮,所以为最亮的状态。
  • 当t = T时,占空比为100%,LED灯为最暗(熄灭)的状态。

结合呼吸灯的原理,整个呼吸的周期为最亮→最暗→最亮的时间,即t的值的变化:0→T→0逐渐变化,这个时间应该为2s

呼吸灯的设计较为简单,我们使用25MHz的系统时钟作为高频信号做分频处理,调整占空比实现PWM,通过LED灯LD1指示输出状态。

LED电路连接

呼吸灯程序设计

呼吸灯设计要求呼吸的周期为2s,也就是说LED灯从最亮的状态开始,第一秒时间内逐渐变暗,第二秒的时间内再逐渐变亮,依次进行。

本设计中需要两个计数器cnt1和cnt2,cnt1随系统时钟同步计数(系统时钟上升沿时cnt1自加1)范围为0~T,cnt2随cnt1的周期同步计数(cnt1等于T时,cnt2自加1)范围也是0~T,这样每次cnt1在0~T的计数时,cnt2为一个固定值,相邻cnt1计数周期对应的cnt2的值逐渐增大,我们将cnt1计数0~T的时间作为脉冲周期,cnt2的值作为脉冲宽度,则占空比 = cnt2/T,占空比从0%到100%的时间 = cnt2*cnt1 = T^2 = 1s = 12M个系统时钟,T = 2400,我们定义CNT_NUM = 2400作为两个计数器的计数最大值。

PWM呼吸灯原理

parameter	CNT_NUM = 2400	//period = (2400^2)*2 = 24000000 = 2s

计数器cnt1随系统时钟从0~(CNT_NUM-1)循环计数,如下

//generate cnt1 signal
always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin 
	if(!rst_n_in) begin
		cnt1<=13'd0;
	end else begin
		if(cnt1>=CNT_NUM-1) cnt1<=1'b0;
		else cnt1<=cnt1+1'b1;
	end
end

计数器cnt2随cnt1的周期从0~(CNT_NUM-1)循环计数,如下

//generate cnt2 signal
always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin 
	if(!rst_n_in) begin
		cnt2<=13'd0;
		flag<=1'b0;
	end else begin
		if(cnt1==CNT_NUM-1) begin
			if(!flag) begin
				if(cnt2>=CNT_NUM-1) flag<=1'b1;
				else cnt2<=cnt2+1'b1;
			end else begin
				if(cnt2<=0) flag<=1'b0;
				else cnt2<=cnt2-1'b1;
			end
		end else cnt2<=cnt2;
	end
end

最后将两个计数器cnt1和cnt2比较,输出呼吸灯控制信号:

//Compare cnt1 and cnt2, generate PWM-Breath-led
assign	Breath_led = (cnt1<cnt2)?1'b0:1'b1;

引脚分配如下:

管脚名称 clkin| rstnin| Breathled
FPGA管脚 C1 L14 N13

呼吸灯仿真

资源 数量 比例 说明
LUTs 40 6%
寄存器 27 2%
存储器 0 0%
IO管脚 3
时钟频率 25MHz
  • 呼吸灯原理
  • PWM脉宽调节
  • 脉冲发生原理
文件名称 功能
Breath_led.v 呼吸灯
Breath_led_test.v 测试文件