呼吸灯的概念和实现原理

引言：呼吸灯在日常生活中经常见到，如电子时钟，小夜灯等等，本文我们介绍下通过PWM波来控制LED灯，实现呼吸灯功能。

1.呼吸灯概念

呼吸灯其实是在处理器的控制下，由暗渐亮、然后再由亮渐暗，其实现效果类似人的呼吸方式的LED灯。其要实现呼吸周期重复，明暗渐变功能。

2.实现原理

由于FPGA管脚输出逻辑电平只有“0”和“1”，因此并不能通过FPGA来改变LED两侧电压差来实现呼吸灯。但是，我们可以通过改变单位时间内亮灯时间的占空比来实现呼吸效果，即在固定频率下，通过调整占空比来控制LED的亮灭，又称作PWM（Pulse Width Modulation）调制。PWM是对模拟电路控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量、功率控制、通信等领域。

图1：占空比调整示意图

3.硬件介绍

LED灯电路如下图所示，图中电阻起限流作用，保证LED不会超过其工作最大电流，当FPGA IO口输出低电平时，LED灯点亮，反之，LED灯熄灭。

图2：LED灯电路图

4.FPGA软件设计

本设计呼吸灯的亮灭周期是2S，PWM每间隔2ms更新一次，共计更新100次即2S后切换PWM的占空比调整方向。因此PWM占空比的调整是和2ms定时计数器和2S定时计数器相关。系统框图如下:

图3：呼吸灯PWM产生框图

上图中包含了3个定时计数器：

（1）20us定时器，作为本系统的基本定时器，产生时间基准；

（2）20ms定时器，通过20us定时器，计数100次完成20ms定时计数；

（3）2s定时器，通过20ms定时器，计数100次完成2S定时计数。

20us定时器代码：

//20us 定时器
always @(posedge i_sysclk_p or negedge i_rstn)begin
    if(i_rstn == 1'b0)
        cnt_20us_timer <= 0;    
    else if(cnt_20us_timer < T20US_SET)    
        cnt_20us_timer <= cnt_20us_timer + 1'b1;
    else
        cnt_20us_timer <= 24'd0;          
end

20ms比较定时器代码：

//20ms pwm比较定时器,基于 1us timer
always @(posedge i_sysclk_p or negedge i_rstn)begin  
    if(i_rstn == 1'b0)                               
cnt_20ms_timer<= 0;    
    else if(20us_timer_done)                            
         cnt_20ms_timer <= (cnt_20ms_timer < T20MS_SET) ? (cnt_20ms_timer + 1'b1) : 10'd0;   
    else                                                
         cnt_20ms_timer <= cnt_20ms_timer ;
end

5.软件在线仿真与实测

硬件平台：EP2C8Q208C8N

Quartusii软件：11.0

工程编译完成后，下载bit文件到电路板，PWM波测试结果如下图所示。

图4：SignalTapII在线抓取波形