《ATK-DFPGL22G之FPGA开发指南_V1.0》第十二章呼吸灯实验

正点原子

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第十二章呼吸灯实验

呼吸灯最早由苹果公司发明并应用于笔记本睡眠提示上，其一经展出，立刻吸引众多科技厂商争相效仿，并广泛用于各种电子产品中，尤其是智能手机。呼吸灯其实是在微处理器的控制下，由暗渐亮、然后再由亮渐暗，模仿人呼吸方式的LED灯。
本章分为以下几个章节：
12.1 呼吸灯简介
12.2 实验任务
12.3 硬件设计
12.4 程序设计
12.5 下载验证


12.1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：

图 12.1.1 呼吸灯PWM占空比示意图

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。
12.2实验任务
本节实验任务是使用正点原子ATK-DFPGL22G开发板上的LED1，实现呼吸灯的效果，即由灭渐亮，然后再由亮渐灭。
12.3硬件设计
发光二极管的原理图如下图所示，LED1发光二极管位于开发板上，其阴极通过470欧姆的电阻连到地三极管，阳极与VCC3.3相连，LED与三极管之间的电阻起到限流作用。当FPGA的IO输出高电平时三极管被导通，等效于470欧电阻一侧接地，构成一条回路，使得LED点亮，反之FPGA的IO输出低电平时，LED灯熄灭。

图 12.3.1 呼吸灯硬件原理图

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：

表 12.3.1 呼吸灯实验管脚分配

对应的UCF约束语句如下所示：
#IO管脚约束
define_attribute {p:led} {PAP_IO_DIRECTION} {OUTPUT}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_LOC} {J6}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_VCCIO} {1.5}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_DRIVE} {4}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_NONE} {TRUE}
define_attribute {p:led} {PAP_IO_SLEW} {SLOW}
define_attribute {p:sys_clk} {PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
define_attribute {p:sys_clk} {PAP_IO_LOC} {B5}
define_attribute {p:sys_clk} {PAP_IO_VCCIO} {3.3}
define_attribute {p:sys_clk} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS33}
define_attribute {p:sys_clk} {PAP_IO_NONE} {TRUE}
define_attribute {p:sys_rst_n} {PAP_IO_DIRECTION} {INPUT}
define_attribute {p:sys_rst_n} {PAP_IO_LOC} {G5}
define_attribute {p:sys_rst_n} {PAP_IO_VCCIO} {1.5}
define_attribute {p:sys_rst_n} {PAP_IO_STANDARD} {LVCMOS15}
define_attribute {p:sys_rst_n} {PAP_IO_NONE} {TRUE}
12.4程序设计

图 12.4.1 模块端口及信号连接图

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。
12.5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Pango Design Suite菜单栏的“TOOLS”下面的“Configuration”，此时软件识别到下载器，点击“Fabric Configuration”窗口中左上角的scan device图标下载程序，在弹出的界面中选择生成的sbit文件下载程序。
程序下载完成后，可以看到开发板的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：

图 12.5.1 开发板实验现象