【正点原子FPGA连载】第十章呼吸灯实验-领航者ZYNQ之FPGA开发指南

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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：
1呼吸灯简介
实验任务
硬件设计
程序设计
下载验证
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 10.1.1 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。
实验任务
本节实验任务是使用正点原子ZYNQ开发板（核心板）上的PL LED，实现呼吸灯的效果，即由灭渐亮，然后再由亮渐灭。
硬件设计
发光二极管的原理图如下图所示，PL LED发光二极管位于核心板上，其阴极通过330欧姆的电阻连到地（GND），阳极与ZYNQ的IO相连，LED与地之间的电阻起到限流作用。当PL_LED输出高电平时，点亮LED灯，当PL LED输出低电平时，LED灯熄灭。

图 10.3.1 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 10.3.1 呼吸灯实验管脚分配
信号名 方向 管脚 端口说明 电平标准
sys_clk input U18 系统时钟，50MHz LVCMOS33
sys_rst_n input J15 系统复位按键，低电平有效 LVCMOS33
led output J16 PL LED（核心板） LVCMOS33
对应的XDC约束语句如下所示：
程序设计
本次实验的模块端口及结构框图如下图所示。

图 10.4.1 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。
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Vivado左侧“Flow Navigator”窗口最下面的“Open Hardware Manager”，此时Vivado软件识别到下载器，点击“Hardware”窗口中“Progam Device”下载程序，在弹出的界面中选择“Program”下载程序。
程序下载完成后，可以看到核心板的PL 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 10.5.1 开发板实验现象