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--- 呼吸灯 [2016/06/14 17:17]
anran [设计要求]
+++ 呼吸灯 [2017/03/22 23:51] (当前版本)
zhijun
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 ====工作原理====
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-脉冲发生器是信号发生器的一种，是周期和占空比均可调的矩形脉冲的发生器。
+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。
-周期：在数字信号的领域中是信号变化的过程中，某段波形重复出现，其某一次开始至结束的这段时间就称为“周期"。
+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。
-占空比：是在一串理想的脉冲系列中，正脉冲的持续时间与脉冲周期的比值。例如在下图中t为正脉冲的持续时间，T为脉冲周期，占空比为t/T。
+{{ :脉冲有效值.jpg |脉冲信号有效值}}
-{{ :占空比.jpg |占空比}}
+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。
-脉冲发生一般通过对一个高频的脉冲信号进行分频来生成。
+  * 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。
-分频比：指方波的周期和高频信号手气之间发的比例关系，通过控制分频比来生成不同频率的方波。例如，开发系统上的时钟频率是25MHz，如果要生成5MHz的方波，则分频比为5。
+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
+====硬件说明====
+------
+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.jpg |LED电路连接}}
+====Verilog代码====
-====硬件连接====
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-为了方便在硬件平台上演示，我们使用25MHz的系统时钟作为高频信号做分频处理，产生脉冲信号，通过调节脉冲信号的周期和正脉冲的宽度，最终生成我们需要的脉冲信号。
-三路按键输入:
+{{ :呼吸灯程序设计.jpg |呼吸灯程序设计}}
-  * key_menu：使用按键K5作为输入，按动K5按键控制周期和脉宽调节模式的切换。
-  * key_up：使用按键K1作为输入，按动K1按键根据所处的模式控制周期或脉宽参数的增加。
-  * key_down：使用按键K3作为输入，按动K3按键根据所处的模式控制周期或脉宽参数的减小。
-两路LED输出：
-  * menu_state：使用小脚丫核心板上的LD1作为输出，当LED点亮或熄灭时分别表示脉宽调节模式或周期调节模式。
-  * pulse_out：使用小脚丫核心板上的LD2作为输出，可以根据LED的亮度表示周期和脉宽的变化（注意：当输出低电平时LED点亮）。
-{{ :led电路连接.jpg |LED电路连接}}
+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。
-{{ :图9.按键模块电路连接.png |按键模块电路连接}}
+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。
-====代码设计====
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-===设计文件===
-{{ :脉冲发生程序设计.jpg |脉冲发生程序设计}}
+{{ ::呼吸灯pwm原理.jpg |PWM呼吸灯原理}}
-我们在硬件连接中也提到了脉冲发生器设计需要的硬件资源作为接口外设，整个设计的接口定义如下：
 <code verilog>
-input			clk_in,
+parameter	CNT_NUM = 2400	//period = (2400^2)*2 = 24000000 = 2s
-input			rst_n_in,
-input			key_menu,
-input			key_up,
-input			key_down,
-output			menu_state,
-output	reg		pulse_out
 </code>
-本设计中我们用到三个按键作为输入，需要对按键输入做消抖处理，消抖模块的原理及设计请参考[[按键消抖]]设计，这里我们以key_menu的消抖为例调用按键消抖模块，如下：
+计数器cnt1随系统时钟从0~（CNT_NUM-1）循环计数，如下
 <code verilog>
-//Debounce for key_menu
+//generate cnt1 signal
-Debounce Debounce_menu(.clk(clk_in),.rst_n(rst_n_in),.key_n(key_menu),.key_state(menu_state));
+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
 </code>
-对三路按键做消抖后的信号可以实现周期和脉宽的控制，本设计中我们的分频比范围为2~16分级可调，0%<脉宽<100%分级可调，控制脉宽参数duty要始终小于周期参数cycle，实现方法如下：
+计数器cnt2随cnt1的周期从0~（CNT_NUM-1）循环计数，如下
 <code verilog>
-//Control cycle and duty cycle
+//generate cnt2 signal
-always @(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
+always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
 	if(!rst_n_in) begin
-		cycle<=4'd8;
+		cnt2<=13'd0;
-		duty<=4'd4;
+		flag<=1'b0;
 	end else begin
-		if(menu_state) begin
+		if(cnt1==CNT_NUM-1) begin
-			if(up_pulse && (cycle<4'd15)) cycle <= cycle + 4'd1;
+			if(!flag) begin
-			else if(down_pulse && (cycle>(duty+4'd1))) cycle <= cycle - 4'd1;
+				if(cnt2>=CNT_NUM-1) flag<=1'b1;
-			else cycle <= cycle;
+				else cnt2<=cnt2+1'b1;
-		end else begin
+			end else begin
-			if(up_pulse && (cycle>(duty+4'd1))) duty <= duty + 4'd1;
+				if(cnt2<=0) flag<=1'b0;
-			else if(down_pulse && (duty>4'd0)) duty <= duty - 4'd1;
+				else cnt2<=cnt2-1'b1;
-			else duty <= duty;
+			end
-		end
+		end else cnt2<=cnt2;
 	end
 end
 </code>
-最后根据周期参数cycle控制计数器的计数范围，根据脉宽参数duty控制正电压脉冲的宽度，产生脉冲信号。
+最后将两个计数器cnt1和cnt2比较，输出呼吸灯控制信号：
 <code verilog>
-reg	[3:0]	cnt;
+//Compare cnt1 and cnt2, generate PWM-Breath-led
-//counter for cycle
+assign	Breath_led = (cnt1<cnt2)?1'b0:1'b1;
-always @(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
-	if(!rst_n_in) begin
-		cnt<=4'd0;
-	end else begin
-		if(cnt>=cycle) cnt<=4'd0;
-		else cnt <= cnt + 4'd1;
-	end
-end
-//pulse generate with duty
-always @(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
-	if(!rst_n_in) begin
-		pulse_out<=1'b1;
-	end else begin
-		if(cnt<=duty) pulse_out<=1'b1;
-		else pulse_out<=1'b0;
-	end
-end
 </code>
 引脚分配如下：
-^ 管脚名称 | clk_in| rst_n_in| key_menu|key_up|key_down|menu_state|pulse_out|
+^ 管脚名称 | clk_in| rst_n_in| Breath_led|
-^ FPGA管脚 | C1    | A2      | A12     |B8    |A10     |A3        |A7       |
+^ FPGA管脚 | C1    | L14     | N13        |
-====运行结果====
+====仿真结果====
-{{:img20160614134850.jpg?500 |LED灯亮度}}
-{{:img20160614135014.jpg?500|示波器测量结果}}
+{{:呼吸灯仿真.jpg|呼吸灯仿真}}
 ====资源报告====
 ^ 资源 | 数量  | 比例  | 说明  |
-^ LUTs | 61   | 10%   |   |
+^ LUTs | 40   | 6%   |   |
-^ 寄存器 | 80    | 5% |   |
+^ 寄存器 | 27    | 2% |   |
 ^ 存储器 | 0  | 0%   |    |
-^ IO管脚   | 7 |   |    |
+^ IO管脚   | 3 |   |    |
 ^ 时钟频率 | 25MHz |   |    |
 ====知识点====
-  * 按键消抖
+  * 呼吸灯原理
   * PWM脉宽调节
   * 脉冲发生原理
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 ====参考文档====
-  * [[按键消抖]]
+  * [[脉冲发生器]]
   * {{:machxo2familydatasheet.pdf|Lattice MachXO2数据手册}}
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 ^ **文件名称**  | **功能** |
-^ **[[Pulse_gen.v]]** | **脉冲发生器TOP文件** |
+^ **[[Breath_led.v]]** | **呼吸灯** |
-^ **[[Debounce.v]]** | **按键消抖** |
+^ **[[Breath_led_test.v]]** | **测试文件** |