FPGA入門基礎(chǔ)之呼吸燈設(shè)計(jì)

引言：呼吸燈在日常生活中經(jīng)常見到，如電子時(shí)鐘，小夜燈等等，本文我們介紹下通過PWM波來控制LED燈，實(shí)現(xiàn)呼吸燈功能。

1.呼吸燈概念

呼吸燈其實(shí)是在處理器的控制下，由暗漸亮、然后再由亮漸暗，其實(shí)現(xiàn)效果類似人的呼吸方式的LED燈。其要實(shí)現(xiàn)呼吸周期重復(fù)，明暗漸變功能。

2.實(shí)現(xiàn)原理

由于FPGA管腳輸出邏輯電平只有“0”和“1”，因此并不能通過FPGA來改變LED兩側(cè)電壓差來實(shí)現(xiàn)呼吸燈。但是，我們可以通過改變單位時(shí)間內(nèi)亮燈時(shí)間的占空比來實(shí)現(xiàn)呼吸效果，即在固定頻率下，通過調(diào)整占空比來控制LED的亮滅，又稱作PWM（Pulse Width Modulation）調(diào)制。PWM是對模擬電路控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測量、功率控制、通信等領(lǐng)域。

圖1：占空比調(diào)整示意圖

3.硬件介紹

LED燈電路如下圖所示，當(dāng)電阻其限流作用，保證LED不會超過其工作最大電流，當(dāng)FPGA IO口輸出低電平時(shí)，LED燈點(diǎn)亮，反之，LED燈熄滅。

圖2：LED燈電路圖

4.FPGA軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)呼吸燈的亮滅周期是2S，PWM每間隔2ms更新一次，共計(jì)更新100次即2S后切換PWM的占空比調(diào)整方向。因此PWM占空比的調(diào)整是和2ms定時(shí)計(jì)數(shù)器和2S定時(shí)計(jì)數(shù)器相關(guān)。系統(tǒng)框圖如下:

圖3：呼吸燈PWM產(chǎn)生框圖

上圖中包含了3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器：

（1）20us定時(shí)器，作為本系統(tǒng)的基本定時(shí)器，產(chǎn)生時(shí)間基準(zhǔn)；（2）20ms定時(shí)器，通過20us定時(shí)器，計(jì)數(shù)100次完成20ms定時(shí)計(jì)數(shù)；（3）2s定時(shí)器，通過20ms定時(shí)器，計(jì)數(shù)100次完成2S定時(shí)計(jì)數(shù)。

1us定時(shí)器代碼：

//20us 定時(shí)器always @(posedge i_sysclk_p or negedge i_rstn)begin    if(i_rstn == 1'b0)        cnt_20us_timer <= 0;        else if(cnt_20us_timer < T20US_SET)    ????????cnt_20us_timer <=?cnt_20us_timer +?1'b1;    else????????cnt_20us_timer <=?24'd0;??????????end

20ms比較定時(shí)器代碼：

//20ms pwm比較定時(shí)器,基于 1us timeralways @(posedge i_sysclk_p or negedge i_rstn)begin      if(i_rstn == 1'b0)                               ?????????cnt_20ms_timer?<=?0;????????else?if(20us_timer_done)????????????????????????????         cnt_20ms_timer <= (cnt_20ms_timer < T20MS_SET) ? (cnt_20ms_timer + 1'b1) : 10'd0;       else                                                         cnt_20ms_timer <= cnt_20ms_timer ;end

5.軟件在線仿真與實(shí)測

硬件平臺：EP2C8Q208C8N

Quartusii軟件：11.0

工程編譯完成后，下載bit文件到電路板，PWM波測試結(jié)果如下圖所示。

圖4：SignalTapII在線抓取波形

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