【正点原子FPGA连载】第十二章 呼吸灯实验 -摘自【正点原子】领航者ZYNQ之FPGA开发指南_V2.0

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第十二章 呼吸灯实验

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： 1.1 呼吸灯简介 1.2 实验任务 1.3 硬件设计 1.4 程序设计 1.5 下载验证   1.1 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 7.5.13.1 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。 1.2 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。 1.3 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 7.5.13.1 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 12.3.1 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 N16 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： #IO管脚约束

set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN N16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
set_property -dict {PACKAGE_PIN J16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports led]

1.4 程序设计 本次实验的模块端口及结构框图如下图所示。 图 7.5.13.1 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