Vivado 下呼吸灯实验

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。

1、实验简介

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：

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。

2、实验环境

Windows 10 64 位
vivado 2020.2
Xinlinx 黑金 FPGA 开发板（AX7A035t 开发板、AX7A100t 开发板、AX7A200t 开发板）

3、实验任务

本节实验任务是使用 Xinlinx 黑金 FPGA 开发板上的 LED，实现呼吸灯的效果，即由亮渐灭，然后再由灭渐亮。

4、硬件设计

LED 原理图与“流水灯实验”完全相同，请参考“流水灯实验”硬件设计部分。由于 LED 灯在前面相应的章节中已经给出它们的管脚列表，这里不再列出管脚分配。

5、程序设计

本次实验的模块端口及结构框图如下图所示。

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。

5.1、呼吸灯代码如下：

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2023/05/12 09:15:39
// Design Name: 
// Module Name: breath_led
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
// 
//

//实验任务是实现呼吸灯的效果，即由亮渐灭，然后再由灭渐亮。
//呼吸灯采用PWM（脉冲宽度调制）的方式，在固定的评率下，通过调整占空比的方式来控制LED灯亮度的变化。
//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；如果占空比为100%，则LED灯亮。
//所以将占空比从0到100%，再从100%到0不断的变化，就可以实现LED灯的“呼吸”效果。

module breath_led(
//     input            sys_clk,      //时钟信号50MHz(一个周期是20ns：1/50MHz=0.02us=20ns)
    //differential system clocks//200MHz系统时钟(一个周期是5ns：1/200MHz=0.005us=5ns)
    input               sys_clk_p,       //system clock positive
    input               sys_clk_n,       //system clock negative
     input            sys_rst_n,    //复位信号
     
     output           led           //LED
    );
    
//reg define
reg  [15:0]   period_cnt;  //周期计数器频率：1KHz 周期1ms  计数值：1ms/20ns=50000
reg  [15:0]   duty_cycle;  //占空比数值
reg           inc_dec_flag;//0 递增； 1 递减


//*********差分时钟这么处理***START******************
wire        sys_clk;
//差分输入时钟缓冲器-黑金FPGA
IBUFDS sys_clk_ibufgds //generate single end clock
(
	.O                          (sys_clk                  ),
	.I                          (sys_clk_p                ),
	.IB                         (sys_clk_n                )
);
//*********差分时钟这么处理*****END*******************

//************************************************
//**    main  code
//************************************************

//根据占空比和计数值之间的大小关系来输出LED
assign led = (period_cnt >= duty_cycle)? 1'b1:1'b0;

//周期计数器
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if (!sys_rst_n)
         period_cnt <= 16'd0;
    else if (period_cnt==16'd50000)
         period_cnt <= 16'd0;
    else
        period_cnt <= period_cnt + 1'b1;
end

//在周期计数器的节拍下递增或递减占空比
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
     if (!sys_rst_n) begin
          duty_cycle <= 16'd0;
          inc_dec_flag <= 1'b0;
     end
     else begin
          if (period_cnt==16'd50000) begin     //计满1ms
               if(inc_dec_flag==1'b0) begin    //占空比递增状态
                    if(duty_cycle==16'd50000)  //如果占空比已递增至最大
                         inc_dec_flag <= 1'b1; //则占空比开始递减
                    else                       //否则占空比以25为单位递增
                         duty_cycle <= duty_cycle + 16'd25;
               end
               else begin                    //占空比递减状态
                   if(duty_cycle==16'd0)     //如果占空比已递减至0
                        inc_dec_flag <= 1'b0;//则占空比开始递增
                   else                      //否则占空比以25为单位递减
                        duty_cycle <= duty_cycle - 16'd25;
               end
          end
     end
end

    
endmodule

第 62~69 行是 1KHz 周期信号的计数器，用于产生 1KHz 的 LED 驱动信号。第 72~93 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 59 行 assign 语句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。

5.2、添加约束文件 .xdc

添加约束文件 breath_led.xdc，添加约束文件.xdc 的详细步骤见：Vivado 下 LED 流水灯实验_OliverH-yishuihan的博客-CSDN博客中的 “4.3、添加 XDC管脚约束文件”

约束文件 breath_led.xdc 的具体内容如下：

############## clock define 时钟引脚、电平信号约束#####黑金-FPGA##################
create_clock -period 5.000 [get_ports sys_clk_p]
set_property PACKAGE_PIN R4 [get_ports sys_clk_p]
set_property IOSTANDARD DIFF_SSTL15 [get_ports sys_clk_p]
#set_property -dict {PACKAGE_PIN R4 IOSTANDARD DIFF_SSTL15} [get_ports sys_clk_p]
############## reset key define##########################
set_property -dict {PACKAGE_PIN F15 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports sys_rst_n]
############## LED define ############################
set_property -dict {PACKAGE_PIN L13 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports {led}]
##############SPI Configurate Setting##################
set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 4 [current_design]
set_property CONFIG_MODE SPIx4 [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 50 [current_design]