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--- 9._呼吸灯 [2017/03/22 23:46]
zhijun 创建
+++ 9._呼吸灯 [2019/09/06 11:56] (当前版本)
gongyu
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-=====呼吸灯=====
+#### 呼吸灯
+---
 本节，我们将通过脉宽调制技术来实现“呼吸灯”，实现LED的亮度由最暗逐渐增加到最亮，再逐渐变暗的过程。
 脉冲宽度调制(PWM:Pulse Width Modulation)，简称脉宽调制。它是利用微控制器的数字输出调制实现，是对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等众多领域。
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-====硬件说明====
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+####硬件说明
+---
+呼吸灯的设计较为简单，我们使用12MHz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}}
 {{ :脉冲有效值.jpg |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。
+实现原理如上图所示，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。
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 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
+{{ :呼吸灯程序设计.jpg |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。
-，模块化设计：在之前的实验中我们做了[[3. 3-8译码器|3-8译码器]]和[[5. 时钟分频|时钟分频]]，如果把这两个结合起来，我们就能搭建一个自动操作的流水LED显示。框图如下：
-\\
-{{ ::flashled.png |}}
-\\
-，循环赋值：这是一种很简洁的实现流水灯效果逻辑，就是定义一个8位的变量，在每个时钟上升沿将最低位赋值给最高位，其他位右移一位，这就实现了循环赋值。这8位输出到LED就能实现流水灯。
-\\
-====Verilog代码====
+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。
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-模块化设计是用硬件描述语言进行数字电路设计的精髓，代码可重复利用。而且模块化的设计使得程序的结构也很清晰。这里我们首先看看流水灯的模块化设计。利用了之前的3-8译码器和分频器，你需要把这两个程序也拷贝到一个工程。
-<code verilog>
-// ********************************************************************
+{{ ::呼吸灯pwm原理.jpg |PWM呼吸灯原理}}
-// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
-// ********************************************************************
-// File name    : flashled.v
-// Module name  : flashled
-// Author       : STEP
-// Description  : segment initial
-// Web          : www.stepfpga.com
-//
-// --------------------------------------------------------------------
-// Code Revision History :
-// --------------------------------------------------------------------
-// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
-// V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
-// --------------------------------------------------------------------
-// Module Function:流水灯的模块化设计
-module flashled (clk,rst,led);
+####Verilog代码
-	input clk,rst;
+---
-	output [7:0] led;
-        reg   [2:0] cnt ;                               //定义了一个3位的计数器，输出可以作为3-8译码器的输入
-        wire clk1h;                                     //定义一个中间变量，表示分频得到的时钟，用作计数器的触发
-        //例化module decode38，相当于调用
-        decode38 u1 (
-			.sw(cnt),                       //例化的输入端口连接到cnt，输出端口连接到led
-			.led(led)
-			);
-        //例化分频器模块，产生一个1Hz时钟信号
-        divide #(.WIDTH(32),.N(12000000)) u2 (         //传递参数
-			.clk(clk),
-			.rst_n(rst),                   //例化的端口信号都连接到定义好的信号
-			.clkout(clk1h)
-			);
-        //1Hz时钟上升沿触发计数器，循环计数
-        always @(posedge clk1h or negedge rst)
-	     if (!rst)
-		cnt <= 0;
-	     else
-		cnt <= cnt +1;
-        endmodule
- </code>
-\\
-\\
-模块化设计结构清晰，verilog语言是很灵活的。对于流水灯还有一种很简洁的实现方法。
 <code verilog>
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 // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
 // ********************************************************************
-// File name    : flashled.v
+// File name    : breath_led.v
-// Module name  : flashled
+// Module name  : breath_led
 // Author       : STEP
-// Description  : segment initial
+// Description  :
 // Web          : www.stepfpga.com
 //
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 // V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
 // --------------------------------------------------------------------
-// Module Function:流水灯的模块化设计
+// Module Function:呼吸灯
+module breath_led(clk,rst,led);
+	input clk;             //系统时钟输入
+	input rst;             //复位输出
+	output led;            //led输出
+	reg [24:0] cnt1;       //计数器1
+	reg [24:0] cnt2;       //计数器2
+	reg flag;              //呼吸灯变亮和变暗的标志位
+	parameter   CNT_NUM = 2400;	//计数器的最大值 period = (2400^2)*2 = 24000000 = 2s
+	//产生计数器cnt1
+	always@(posedge clk or negedge rst) begin
+		if(!rst) begin
+			cnt1<=13'd0;
+			end
+        else if(cnt1>=CNT_NUM-1)
+				cnt1<=1'b0;
+		     else
+                cnt1<=cnt1+1'b1;
+		end
+	//产生计数器cnt2
+	always@(posedge clk or negedge rst) begin
+		if(!rst) begin
+			cnt2<=13'd0;
+			flag<=1'b0;
+			end
+        else if(cnt1==CNT_NUM-1) begin //当计数器1计满时计数器2开始计数加一或减一
+			if(!flag) begin            //当标志位为0时计数器2递增计数，表示呼吸灯效果由暗变亮
+				if(cnt2>=CNT_NUM-1)    //计数器2计满时，表示亮度已最大，标志位变高，之后计数器2开始递减
+					flag<=1'b1;
+				else
+					cnt2<=cnt2+1'b1;
+				end
+			else begin
+				if(cnt2<=0)      //当标志位为高时计数器2递减计数
+					flag<=1'b0;		   //计数器2级到0，表示亮度已最小，标志位变低，之后计数器2开始递增
+				else
+					cnt2<=cnt2-1'b1;
+				end
+			end
+		else
+			cnt2<=cnt2;                //计数器1在计数过程中计数器2保持不变
+		end
+	//比较计数器1和计数器2的值产生自动调整占空比输出的信号，输出到led产生呼吸灯效果
+	assign	led = (cnt1<cnt2)?1'b0:1'b1;
+endmodule
-module flashled (clk,rst,led);
-	input clk,rst;
+</code>
-	output [7:0] led;
-        wire clk1h;                                     //定义一个中间变量，表示分频得到的时钟，用作计数器的触发
-        //例化分频器模块，产生一个1Hz时钟信号
+####引脚分配
-        divide #(.WIDTH(32),.N(12000000)) u2 (         //传递参数
-			.clk(clk),
-			.rst_n(rst),                   //例化的端口信号都连接到定义好的信号
-			.clkout(clk1h)
-			);
-        //1Hz时钟上升沿触发循环赋值
-        always@(posedge clk1h or negedge rst)
-	begin
-		if(!rst)
-			led <= 8'b11111110;            // <=为非阻塞赋值
-		else
-			led <= {led[0],led[7:1]};      //当时钟上升沿来一次，执行一次赋值，赋值内容是led[0]与led[7:1]重新拼接成8位赋给led，相当于循环右移
-	end
- </code>
-\\
-====引脚分配====
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-按照下面表格定义输入输出信号
-\\
-^信号            ^引脚            ^信号              ^引脚    ^
-|clk   |C1              |led[3]    |M11     ^
-|rst   |L14              |led[4]    |P11     ^
-|led[0]   |N13              |led[5]    |N10    ^
-|led[1]   |M12             |led[6]    |N9     ^
-|led[2]   |P12             |led[7]    |p9     ^
-\\
-\\
-配置好以后编译下载程序。可以调整例化分频器时传递的参数来调整流水灯的速度。
+---
-\\
+引脚分配如下：
+^ 管脚名称 | clk| rst| led|
+^ FPGA管脚 | C1    | L14     | N13       |
-====小结====
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-掌握了verilog里面例化module的用法，采用模块化设计程序。模块化设计是非常重要的FPGA设计思想。在下一节我们会学习按键的另外用法[[7. 按键消抖|按键消抖]]。
+####小结
+---
+脉宽调制是一种值得广大工程师在许多应用设计中使用的有效技术，你也可以根据本节介绍的流水灯程序，实现RGB三色灯的呼吸。在下一小节我们会学习状态机的使用方法：[[10. 交通灯|交通灯的设计]]。