FPGA入門基礎(chǔ)之呼吸燈設(shè)計(jì)

在FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的入門學(xué)習(xí)中，呼吸燈設(shè)計(jì)是一個(gè)常見的項(xiàng)目，它不僅能幫助我們理解FPGA的基本操作，還能直觀地展示數(shù)字電路的魅力。呼吸燈的效果就像人類的呼吸一樣，LED燈在一段時(shí)間內(nèi)從完全熄滅的狀態(tài)逐漸變到最亮，再在同樣的時(shí)間段內(nèi)逐漸達(dá)到完全熄滅的狀態(tài)，并循環(huán)往復(fù)。本文將詳細(xì)介紹呼吸燈的設(shè)計(jì)原理、實(shí)現(xiàn)步驟以及相應(yīng)的Verilog HDL代碼。

一、設(shè)計(jì)原理

呼吸燈的實(shí)現(xiàn)主要依賴于PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)。PWM是一種模擬控制技術(shù)，其原理是在一個(gè)固定的時(shí)間周期內(nèi)，改變高電平所占用的時(shí)間比例（即占空比）來(lái)模擬不同的電壓或亮度等級(jí)。在FPGA中，我們可以通過(guò)編程控制PWM的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈亮度的調(diào)節(jié)。

二、實(shí)現(xiàn)步驟

1. 確定呼吸燈的亮滅周期和PWM更新頻率。在本設(shè)計(jì)中，我們?cè)O(shè)定呼吸燈的亮滅周期為2秒，PWM每間隔2毫秒更新一次，共計(jì)更新1000次完成一個(gè)呼吸周期。

2. 設(shè)計(jì)PWM生成模塊。PWM生成模塊是呼吸燈設(shè)計(jì)的核心，它負(fù)責(zé)產(chǎn)生指定占空比的PWM信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，我們可以使用FPGA的定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生2毫秒的定時(shí)中斷，然后在中斷服務(wù)程序中更新PWM的占空比。

3. 設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)模塊。LED驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)接收PWM信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，我們可以將PWM信號(hào)的高電平狀態(tài)映射為L(zhǎng)ED的點(diǎn)亮狀態(tài)，低電平狀態(tài)映射為L(zhǎng)ED的熄滅狀態(tài)。

4. 整合兩個(gè)模塊并編寫Verilog HDL代碼。將PWM生成模塊和LED驅(qū)動(dòng)模塊整合在一起，并編寫相應(yīng)的Verilog HDL代碼。在代碼中，我們需要定義輸入和輸出端口、設(shè)計(jì)定時(shí)器和中斷服務(wù)程序、編寫PWM生成和LED驅(qū)動(dòng)的邏輯代碼等。

三、Verilog HDL代碼示例

下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的Verilog HDL代碼示例，用于實(shí)現(xiàn)呼吸燈的設(shè)計(jì)：

verilog復(fù)制代碼

module Breathing_LED(

input wire clk, // 時(shí)鐘信號(hào)

input wire rst_n, // 復(fù)位信號(hào)

output reg led // LED驅(qū)動(dòng)信號(hào)

);

// 定義PWM的占空比變量

reg [9:0] pwm_duty; // 假設(shè)使用10位表示占空比

// 2毫秒定時(shí)計(jì)數(shù)器

reg [19:0] cnt_2ms; // 假設(shè)時(shí)鐘頻率為50MHz，2毫秒需要計(jì)數(shù)100000次

// 呼吸燈狀態(tài)變量

reg [1:0] breath_state; // 0: 漸亮, 1: 漸滅, 2: 等待復(fù)位

// 呼吸燈狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin

if (!rst_n) begin

// 復(fù)位時(shí)，將PWM占空比和計(jì)數(shù)器清零，并將呼吸燈狀態(tài)設(shè)置為漸亮

pwm_duty <= 0;

cnt_2ms <= 0;

breath_state <= 0;

end else begin

// 2毫秒定時(shí)計(jì)數(shù)器更新

if (cnt_2ms < 100000 - 1) begin

cnt_2ms <= cnt_2ms + 1;

end else begin

cnt_2ms <= 0;

// 根據(jù)呼吸燈狀態(tài)更新PWM占空比

case (breath_state)

0: // 漸亮

if (pwm_duty < 1023) pwm_duty <= pwm_duty + 1; // 假設(shè)最大占空比為1023

else breath_state <= 1; // 切換到漸滅狀態(tài)

1: // 漸滅

if (pwm_duty > 0) pwm_duty <= pwm_duty - 1;

else breath_state <= 2; // 切換到等待復(fù)位狀態(tài)

2: // 等待復(fù)位

// 可以選擇在此處添加邏輯以檢測(cè)復(fù)位信號(hào)或其他條件來(lái)重新開始呼吸周期

// ...

// 當(dāng)滿足條件時(shí)，將呼吸燈狀態(tài)重置為漸亮狀態(tài)

// breath_state <= 0;

// ...

default: // 默認(rèn)狀態(tài)為漸亮

breath_state <= 0;

endcase

end

end

end

// LED驅(qū)動(dòng)邏輯

assign led = (pwm_duty > cnt_2ms) ? 1'b1 : 1'b0; // 當(dāng)PWM占空比大于2毫秒計(jì)數(shù)器時(shí)，LED點(diǎn)亮

endmodule

注意：上述代碼僅作為一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，用于說(shuō)明呼吸燈