基于PWM的呼吸灯设计

呼吸灯广泛应用于手机之上，并成为各大品牌新款手机的卖点之一。如果手机里面有未处理的通知，比如说未接来电，未查收的短信等等，呼吸灯就会在控制之下完成由亮到暗的逐渐变化，感觉好像是人在呼吸，起到一个通知提醒的作用。

关于呼吸灯设计实现的理论主要是PWM有关知识。PWM（Pluse Width Modulation）脉冲宽度调制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。并广泛应用在从测量、通信、功率控制与变换及LED照明等许多领域中。顾名思义，就是占空比可调的信号，那么什么是占空比呢？
占空比（Duty Cycle or Duty Ratio），可以解释为，在一脉冲序列中（方波），正脉冲序列的持续时间与脉冲总周期的比值。也可理解为，电路释放能量的有效时间与总释放时间的比值。
PWM是怎样实现调光呢？想要调节LED的亮度变化，实则是调节控制流经LED的电流。电流增大则LED亮度增强，反之减弱。但由于电流为模拟信号，所以这时就用到了PWM。

使用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波，脉冲的宽度根据正弦波a的幅度变化，幅度高，则脉冲宽，反之。
多数负载需要的PWM调制频率都高于10Hz，要想实现呼吸灯的效果，必须提高调制频率，通常调制频率为1Khz~200Khz之间。在LED控制中PWM作用于电源部分，脉宽调制的脉冲频率通常大于100Hz，人眼就不会感到闪烁。这里我们取PWM调制频率为1KHz，PWM周期为1ms。
脉冲频率一定时，输出脉冲的占空比越大，相当于输出的有效电平越大，随着占空比的不同，LED的亮度也将不同。如占空比为0时，则LED不亮，为100%时，则LED最量，我们让占空比从0~100%变化，再从100%~0不断变化，则就可实现呼吸灯效果。
        本设计呼吸灯的一个周期为2s，分为占空比增“吸”和占空比减“呼”两种模式，每个为1s，一个PWM周期为1ms，所以每个模式包含1000个PWM周期，将每个PWM周期分为1000份，即每个时间段1us。可以理解为变化的程度每次递增或者递减千分之一。占空比增时，则实现由暗变亮，将其取反，则可得到占空比减，实现由亮变暗。

在本设计中需要三个计数器，分别为cnt_us，cnt_ms，cnt_s。由于系统时钟周期为20ns，所以cnt_us计数器实现1us的计时，计数到50；计数器cnt_us驱动计数器cnt_ms实现1ms的计时，计数到1000；计数器cnt_us和cnt_ms驱动计数器cnt_s实现1s的计时，计数到1000，最后用计数器cnt_ms和cnt_s作比较，从而调节占空比。如果cnt_s的值大于cnt_ms的值的时间段，当作点亮的时间，那么就可以实现LED由暗变亮。

module breath_led (clk, rst_n, led);
1
2       input clk, rst_n;    //输入系统时钟，复位
3       output led;          //输出呼吸灯
4      
5       parameter T1us = 50;   //us计数参数
6       parameter T1ms = 1000; //ms计数参数
7       parameter T1s  = 1000; //s计数参数
8
9       reg [6:0] cnt_us;  //us计数器
10      reg [9:0] cnt_ms;  //ms计数器
11      reg [9:0] cnt_s;   //s计数器
12      
13      /*****通过计数器cnt_us，生成1us脉冲*****/
14      always @ (posedge clk or negedge rst_n)
15      begin
16          if (!rst_n)
17              cnt_us <= 7'd0;
18          else if (cnt_us == T1us - 1)
19              cnt_us <= 7'd0;
20          else
21              cnt_us <= cnt_us + 1'b1;
22      end
23      
24      /*****计数到1us时，产生一个同步脉冲，用来驱动cnt_ms*****/
25      wire flag_us;
26      assign flag_us = (cnt_us == T1us - 1) ? 1'b1 : 1'b0; //选择语句
27      
28      /*****通过计数器cnt_ms，生成1ms脉冲*****/
29      always @ (posedge clk or negedge rst_n)
30      begin
31          if (!rst_n)
32              cnt_ms <= 0;
33          else if ((cnt_ms == T1ms - 1) && flag_us)  //等待flag_us为1后，才可清零
34              cnt_ms <= 10'd0;
35          else if (flag_us)
36              cnt_ms <= cnt_ms + 1'b1;
37          else
38              cnt_ms <= cnt_ms;
39      end
40      
41      /*****计数到1ms时，产生一个同步脉冲，用来驱动cnt_s*****/
42      wire flag_ms;
43      assign flag_ms = (cnt_ms == T1ms - 1) ? 1'b1 : 1'b0; //选择语句
44      
45      
46      /*****通过计数器cnt_s，生成1s脉冲*****/
47      
48      reg change; //led灯由亮变暗和由暗变亮的切换
49      
50      always @ (posedge clk or negedge rst_n)
51      begin
52          if (!rst_n)
53              begin
54                  cnt_s <= 10'd0;
55                  change <= 0;  
56              end
57          else if ((cnt_s == T1s - 1) && flag_us && flag_ms)
58          /*等待flag_us和flag_ms为1后，才可清零*/
59              begin
60                  cnt_s <= 10'd0;
61                  change <= ~change;  
62              end
63          else if (flag_us && flag_ms)
64              cnt_s <= cnt_s + 1'b1;  //计数
65          else
66              cnt_s <= cnt_s;   //保持
67      end
68      
69      reg pwm_out; //占空比递增的脉冲
70      
71      always @ (posedge clk or negedge rst_n)
72      begin
73          if (!rst_n)
74              pwm_out <= 0;
75          else if (cnt_s > cnt_ms)  
76              pwm_out <= 1;   
77          else
78              pwm_out <= 0;
79      end
80      
81      assign led = (change == 1) ? ~pwm_out : pwm_out;
82
83  endmodule

本设计的仿真代码如下：为了便于观察，我们采用参数传递的方式，将参数T1us设为5，T1ms设为10，T1s设为10。

`timescale 1ns/1ps
1
2   module breath_led_tb;
3      
4       reg clk, rst_n;
5       wire led;
6      
7       initial begin
8           clk = 1;
9           rst_n = 0;
10          #200.1
11          rst_n = 1;
12          #50000 $stop;
13      end
14      
15      breath_led
16      #(
17          .T1us(5),
18          .T1ms(10),
19          .T1s(10)
20      )
21      breath_led_dut(
22          .clk(clk),
23          .rst_n(rst_n),
24          .led(led)
25      );
26
27      always #10 clk = ~clk;
28
29  endmodule

三个计数器的计数方式与我们设计的一致，并且led的占空比也由小到大，再由大到小，一直循环，进行实际下板验证，也实现了呼吸灯的效果。

基于PWM的呼吸灯设计

"""学好FPGA，海阔天空，人生能有几回从事FPGA，天高菜鸟飞，电路任我构，把电路用语言描述出来，综合成逻辑关系，然后在芯片中利用已有的触发器和LUT构成实际电路， 目前来说半定制FPGA芯片主要应用在军工领域较多，一些尖端科技领域，航天航空，以及日常通讯与图像处理算法，复杂工控FPGA也能得到很好应用，这就是FPGA的的本质。
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---札记(飞翔)""      
      
      
      
      
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