呼吸燈的概念和實現原理

引言：呼吸燈在日常生活中經常見到，如電子時鐘，小夜燈等等，本文我們介紹下通過PWM波來控制LED燈，實現呼吸燈功能。

1.呼吸燈概念

呼吸燈其實是在處理器的控制下，由暗漸亮、然后再由亮漸暗，其實現效果類似人的呼吸方式的LED燈。其要實現呼吸周期重復，明暗漸變功能。

2.實現原理

由于FPGA管腳輸出邏輯電平只有“0”和“1”，因此并不能通過FPGA來改變LED兩側電壓差來實現呼吸燈。但是，我們可以通過改變單位時間內亮燈時間的占空比來實現呼吸效果，即在固定頻率下，通過調整占空比來控制LED的亮滅，又稱作PWM（Pulse Width Modulation）調制。PWM是對模擬電路控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量、功率控制、通信等領域。

圖1：占空比調整示意圖

3.硬件介紹

LED燈電路如下圖所示，圖中電阻起限流作用，保證LED不會超過其工作最大電流，當FPGA IO口輸出低電平時，LED燈點亮，反之，LED燈熄滅。

圖2：LED燈電路圖

4.FPGA軟件設計

本設計呼吸燈的亮滅周期是2S，PWM每間隔2ms更新一次，共計更新100次即2S后切換PWM的占空比調整方向。因此PWM占空比的調整是和2ms定時計數器和2S定時計數器相關。系統框圖如下:

圖3：呼吸燈PWM產生框圖

上圖中包含了3個定時計數器：

（1）20us定時器，作為本系統的基本定時器，產生時間基準；

（2）20ms定時器，通過20us定時器，計數100次完成20ms定時計數；

（3）2s定時器，通過20ms定時器，計數100次完成2S定時計數。

20us定時器代碼：

//20us 定時器
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比較定時器代碼：

//20ms pwm比較定時器,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.軟件在線仿真與實測

硬件平臺：EP2C8Q208C8N

Quartusii軟件：11.0

工程編譯完成后，下載bit文件到電路板，PWM波測試結果如下圖所示。

圖4：SignalTapII在線抓取波形