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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：
1212.1简介
12.2实验任务
12.3硬件设计
12.4程序设计
12.5下载验证
12.1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 12.1.1 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。
12.2实验任务
本节实验任务是使用新起点开发板上的LED，实现呼吸灯的效果，即由灭渐亮，然后再由亮渐灭。
12.3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。
12.4程序设计
本次实验的模块端口及结构框图如下图所示。
图 12.4.1 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50Mhz3 input sys_rst_n , //复位信号4 5 output led//LED6 );7 8 //reg define9 reg [15:0] period_cnt ; //周期计数器频率：1khz 周期:1ms 计数值:1ms/20ns=5000010 reg [15:0] duty_cycle ; //占空比数值11 reginc_dec_flag ; //0 递增 1 递减12 13 //*****************************************************14 //** main code15 //*****************************************************16 17 //根据占空比和计数值之间的大小关系来输出LED18 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) begin22if(!sys_rst_n)23period_cnt <= 16'd0;24else if(period_cnt == 16'd50000)25period_cnt <= 16'd0;26else27period_cnt <= period_cnt + 1'b1;28 end29 30 //在周期计数器的节拍下递增或递减占空比31 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin32if(!sys_rst_n) begin33duty_cycle <= 16'd0;34inc_dec_flag <= 1'b0;35end36else begin37if(period_cnt == 16'd50000) begin //计满1ms38 if(inc_dec_flag == 1'b0) begin //占空比递增状态39 if(duty_cycle == 16'd50000) //如果占空比已递增至最大40 inc_dec_flag <= 1'b1; //则占空比开始递减41 else//否则占空比以25为单位递增42 duty_cycle <= duty_cycle + 16'd25;43 end44 else begin //占空比递减状态45 if(duty_cycle == 16'd0)//如果占空比已递减至046 inc_dec_flag <= 1'b0; //则占空比开始递增47 else//否则占空比以25为单位递减48 duty_cycle <= duty_cycle - 16'd25;49 end50end51end52 end53 54 endmodule
第21-28行是1KHz周期信号的计数器，用于产生1KHz的LED驱动信号。第31-52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18行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大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小于占空比计数值，则LED输出低电平，即熄灭。
12.5下载验证
编译工程并生成比特流sof文件。将下载器一端连接电脑，另一端与开发板上的JTAG下载口连接，连接电源线，并打开开发板的电源开关，然后下载程序。
程序下载完成后，可以看到新起点开发板上的LED灯由暗慢慢变亮，再由亮慢慢变暗，即呈现出“呼吸”的效果，如下图所示：
图 12.5.1 开发板实验现象
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