基于FPGA的呼吸燈設(shè)計(附源工程)

設(shè)計背景

呼吸燈廣泛應(yīng)用于手機(jī)之上，并成為各大品牌新款手機(jī)的賣點之一。如果手機(jī)里面有未處理的通知，比如說未接來電，未查收的短信等等，呼吸燈就會在控制之下完成由亮到暗的逐漸變化，感覺好像是人在呼吸，起到一個通知提醒的作用。

設(shè)計原理

關(guān)于呼吸燈設(shè)計實現(xiàn)的理論主要是PWM有關(guān)知識。PWM（Pluse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制，是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。并廣泛應(yīng)用在從測量、通信、功率控制與變換及LED照明等許多領(lǐng)域中。顧名思義，就是占空比可調(diào)的信號，那么什么是占空比呢？

占空比（Duty Cycle or Duty Ratio），可以解釋為，在一脈沖序列中（方波），正脈沖序列的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。也可理解為，電路釋放能量的有效時間與總釋放時間的比值。

PWM是怎樣實現(xiàn)調(diào)光呢？想要調(diào)節(jié)LED的亮度變化，實則是調(diào)節(jié)控制流經(jīng)LED的電流。電流增大則LED亮度增強(qiáng)，反之減弱。但由于電流為模擬信號，所以這時就用到了PWM。正如下圖所示：

使用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦波，脈沖的寬度根據(jù)正弦波a的幅度變化，幅度高，則脈沖寬，反之。

多數(shù)負(fù)載需要的PWM調(diào)制頻率都高于10Hz，要想實現(xiàn)呼吸燈的效果，必須提高調(diào)制頻率，通常調(diào)制頻率為1Khz~200Khz之間。在LED控制中PWM作用于電源部分，脈寬調(diào)制的脈沖頻率通常大于100Hz，人眼就不會感到閃爍。這里我們?nèi)WM調(diào)制頻率為1KHz，PWM周期為1ms。

脈沖頻率一定時，輸出脈沖的占空比越大，相當(dāng)于輸出的有效電平越大，隨著占空比的不同，LED的亮度也將不同。如占空比為0時，則LED不亮，為100%時，則LED最亮，我們讓占空比從0~100%變化，再從100%~0不斷變化，則就可實現(xiàn)呼吸燈效果。

本設(shè)計呼吸燈的一個周期為2s，分為占空比增“吸”和占空比減“呼”兩種模式，每個為1s，一個PWM周期為2ms，所以每個模式包含1000個PWM周期，將每個PWM周期分為1000份，即每個時間段2us。

設(shè)計框架

設(shè)計框架圖： 50M時鐘

設(shè)計代碼

設(shè)計模塊huxi_led_state代碼：

module huxi_led_state(clk,led,rst_n);
  input clk;
  input rst_n;
  
  output reg led;
  
  parameter T = 100_000;
  
  localparam s0 = 1'b0;
  localparam s1 = 1'b1;
  
  reg [25:0] lw;
  reg [25:0] hw;
  
  reg [16:0] count;
  
  // 產(chǎn)生2MS的脈沖
  always @(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n)
      begin
        count <= 1'b0;
      end
    else
      begin
        if(count == T - 1)
          begin
            count <= 1'b0;
          end
        else
          begin
            count <= count + 1'b1;
          end
      end
      
  wire flag;
  assign flag =(count == T - 1) ? 1'b1:1'b0;
  
  reg state;
  
  // 通過在一個周期中加減高低電平的時間來產(chǎn)生PWM波
  always @(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n)
      begin
        lw <= T - 100;
        hw <= 100;
        state <= 1'b0;
      end
    else
      begin
        case (state)
          s0:begin
              if(flag && (lw > 100))   //判斷低電平的時間
                begin
                  lw <= lw - 100;
                  hw <= hw + 100;
                  state <= s0;
                end
              else if(flag && (lw == 100))
                begin
                  hw <= hw - 100;
                  lw <= lw + 100;
                  state <= s1;
                end
              else
                begin
                  hw <= hw;
                  lw <= lw;
                  state <= s0;
                end
            end
          s1:begin
              if(flag && (hw > 100))   //判斷高電平的時間
                begin
                  hw <= hw - 100;
                  lw <= lw + 100;
                  state <= s1;
                end
              else if(flag && (hw ==100))
                begin
                  hw <= hw + 100;
                  lw <= lw - 100;
                  state <= s0;
                end
              else
                begin
                  hw <= hw;
                  lw <= lw;
                  state <= s1;
                end
            end
        default : state <= s0;
        endcase
      end
      
  reg [25:0] cnt;
  reg sum;  
  always @(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n)
      begin
        sum <= 1'b0;
        led <= 1'b1;
        cnt <= 1'b0; 
      end
    else
        case (sum)
          s0:begin
              if(cnt < hw -1 )
                begin
                  led <= 1'b0;
                  cnt <= cnt + 1'b1;
                end
              else
                begin
                  cnt <= 1'b0;
                  sum <= s1;
                end
            end
          s1:begin
              if(cnt < lw -1)
                begin
                  led <= 1'b1;
                  cnt <= cnt + 1'b1;
                end
              else
                begin
                  cnt <= 1'b0;
                  sum <= s0;
                end
            end
          default:sum <= s0;
        endcase
  
endmodule 

測試模塊代碼：

`timescale 1ns/1ps 
  module huxi_led_state_tb();
  reg clk;
  reg rst_n;
  
  wire led;
  
  parameter T = 100_000;
  
  initial begin
      clk = 1'b1;
      rst_n = 1'b0;
      
      #200.1 rst_n = 1'b1;
      
      
    end
    
    always #10 clk = ~ clk; 
  
  
  
  huxi_led_state  huxi_led_state_date(
          .clk(clk),
          .led(led),
          .rst_n(rst_n)
          );
  endmodule 

仿真中可以看到點亮led等高電平在不停的增高，然后會降低，通過驗證我們的設(shè)計是正確的。

END