基于FPGA的呼吸灯设计(附源工程)

设计背景

呼吸灯广泛应用于手机之上，并成为各大品牌新款手机的卖点之一。如果手机里面有未处理的通知，比如说未接来电，未查收的短信等等，呼吸灯就会在控制之下完成由亮到暗的逐渐变化，感觉好像是人在呼吸，起到一个通知提醒的作用。

设计原理

关于呼吸灯设计实现的理论主要是PWM有关知识。PWM（Pluse Width Modulation）脉冲宽度调制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。并广泛应用在从测量、通信、功率控制与变换及LED照明等许多领域中。顾名思义，就是占空比可调的信号，那么什么是占空比呢？

占空比（Duty Cycle or Duty Ratio），可以解释为，在一脉冲序列中（方波），正脉冲序列的持续时间与脉冲总周期的比值。也可理解为，电路释放能量的有效时间与总释放时间的比值。

PWM是怎样实现调光呢？想要调节LED的亮度变化，实则是调节控制流经LED的电流。电流增大则LED亮度增强，反之减弱。但由于电流为模拟信号，所以这时就用到了PWM。正如下图所示：

使用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波，脉冲的宽度根据正弦波a的幅度变化，幅度高，则脉冲宽，反之。

多数负载需要的PWM调制频率都高于10Hz，要想实现呼吸灯的效果，必须提高调制频率，通常调制频率为1Khz~200Khz之间。在LED控制中PWM作用于电源部分，脉宽调制的脉冲频率通常大于100Hz，人眼就不会感到闪烁。这里我们取PWM调制频率为1KHz，PWM周期为1ms。

脉冲频率一定时，输出脉冲的占空比越大，相当于输出的有效电平越大，随着占空比的不同，LED的亮度也将不同。如占空比为0时，则LED不亮，为100%时，则LED最亮，我们让占空比从0~100%变化，再从100%~0不断变化，则就可实现呼吸灯效果。

本设计呼吸灯的一个周期为2s，分为占空比增“吸”和占空比减“呼”两种模式，每个为1s，一个PWM周期为2ms，所以每个模式包含1000个PWM周期，将每个PWM周期分为1000份，即每个时间段2us。

设计框架

设计框架图： 50M时钟

设计代码

设计模块huxi_led_state代码：

module huxi_led_state(clk,led,rst_n);
  input clk;
  input rst_n;
  
  output reg led;
  
  parameter T = 100_000;
  
  localparam s0 = 1'b0;
  localparam s1 = 1'b1;
  
  reg [25:0] lw;
  reg [25:0] hw;
  
  reg [16:0] count;
  
  // 产生2MS的脉冲
  always @(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n)
      begin
        count <= 1'b0;
      end
    else
      begin
        if(count == T - 1)
          begin
            count <= 1'b0;
          end
        else
          begin
            count <= count + 1'b1;
          end
      end
      
  wire flag;
  assign flag =(count == T - 1) ? 1'b1:1'b0;
  
  reg state;
  
  // 通过在一个周期中加减高低电平的时间来产生PWM波
  always @(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n)
      begin
        lw <= T - 100;
        hw <= 100;
        state <= 1'b0;
      end
    else
      begin
        case (state)
          s0:begin
              if(flag && (lw > 100))   //判断低电平的时间
                begin
                  lw <= lw - 100;
                  hw <= hw + 100;
                  state <= s0;
                end
              else if(flag && (lw == 100))
                begin
                  hw <= hw - 100;
                  lw <= lw + 100;
                  state <= s1;
                end
              else
                begin
                  hw <= hw;
                  lw <= lw;
                  state <= s0;
                end
            end
          s1:begin
              if(flag && (hw > 100))   //判断高电平的时间
                begin
                  hw <= hw - 100;
                  lw <= lw + 100;
                  state <= s1;
                end
              else if(flag && (hw ==100))
                begin
                  hw <= hw + 100;
                  lw <= lw - 100;
                  state <= s0;
                end
              else
                begin
                  hw <= hw;
                  lw <= lw;
                  state <= s1;
                end
            end
        default : state <= s0;
        endcase
      end
      
  reg [25:0] cnt;
  reg sum;  
  always @(posedge clk or negedge rst_n)
    if(!rst_n)
      begin
        sum <= 1'b0;
        led <= 1'b1;
        cnt <= 1'b0; 
      end
    else
        case (sum)
          s0:begin
              if(cnt < hw -1 )
                begin
                  led <= 1'b0;
                  cnt <= cnt + 1'b1;
                end
              else
                begin
                  cnt <= 1'b0;
                  sum <= s1;
                end
            end
          s1:begin
              if(cnt < lw -1)
                begin
                  led <= 1'b1;
                  cnt <= cnt + 1'b1;
                end
              else
                begin
                  cnt <= 1'b0;
                  sum <= s0;
                end
            end
          default:sum <= s0;
        endcase
  
endmodule 

仿真测试

测试模块代码：

`timescale 1ns/1ps 
  module huxi_led_state_tb();
  reg clk;
  reg rst_n;
  
  wire led;
  
  parameter T = 100_000;
  
  initial begin
      clk = 1'b1;
      rst_n = 1'b0;
      
      #200.1 rst_n = 1'b1;
      
      
    end
    
    always #10 clk = ~ clk; 
  
  
  
  huxi_led_state  huxi_led_state_date(
          .clk(clk),
          .led(led),
          .rst_n(rst_n)
          );
  endmodule 

仿真图：

仿真中可以看到点亮led等高电平在不停的增高，然后会降低，通过验证我们的设计是正确的。

END