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Verilog和FPGA的自学笔记9——呼吸灯

news 2025/11/2 11:03:10

昨晚刚做了个呼吸灯，感觉挺不错的，给大家分享一下（打call打call）

呼吸灯还是很经典的，之前无论学什么嵌入式，在定时器PWM部分总是先拿这玩意开刀（doge）

先谈谈个人体会。
嵌入式定时器部分利用递增的计数器来调节占空比（即PWM），来实现呼吸灯，而再FPGA里，我们就是从头搭建一个计数器，然后类似的通过计数器中的值来递增或递减占空比。

1.原理分析

思路还是很清晰的哈，把大体模块先说下：

如果从全灭到全亮需要2s，我们可以设置1000个亮度，每个亮度显示2ms；接着把每个亮度分成1000等分，每个等分2us。这1000个2us有的需要led亮，有的需要led灭。这最小的1000等分就是PWM占空比的最小单位。

反正我看了好几次才明白啥意思，所以再给大家放张图解释一下：
在这里插入图片描述
大家看到下面的led脉冲比，可以发现占比的最小单位是2us，也就是说，再我们的系统中，2us是时间的最小单位。之后，2ms在2us的基础上计数，2s在2ms基础上计数。

而为什么要把2ms再次打散呢？因为你要想实现PWM，把每2ms作为一个亮度，那就不能在ms级上操作（因为每2ms中需要led有亮有灭），所以我们再把2ms分成1000分，在us级上操作led，这样对于更宏观的ms级就是不同亮度了。

2.敲代码……

我们先考虑一下顶层模块：

module breath(input sys_clk,input sys_rst,output reg led
);endmodule

很简单哈，除了时钟和复位的输入，就是led的输出了。

基于上面的原理，需要我们先把2us的块写出来。

reg [6:0] cnt;
parameter CNT  = 7'd100;always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst) beginif(!sys_rst)cnt <= 7'd0;else if(cnt < CNT - 7'd1)cnt <= cnt + 7'd1;elsecnt <= 7'd0;
end

打过流水灯和按键消抖这些新手村后，计数器这种小case对咱们这些大佬小白来说肯定时毫无难度了哈！不过有一点我觉得可以分享一下。

写C时的循环长这个德行：

for(int i=0;i<CNT;i++)

这样就循环了CNT次。

但Verilog里不是这样啊！因为for语句里的i++是在循环结束后对i进行++，而always块里是立即执行，也就意味着如果你还这么(cnt < CNT)写，那就会执行CNT+1次，这肯定不是我们所期望的，所以我在if里多减了1。

还有，虽然我们现在可以在例化模块时传参，但把最大值定位为参数，可以使代码更简洁可读，推荐这样做。

接下来我们做ms级和s级模块。

ms和s的难点在于，你需要将cnt_2ms和cnt_2s在最大值时清零。相比之下cnt_2us好办，因为cnt_2us清零本来就是if当中的一种情况。但是！！

cnt_2ms的清零如果也像us级那样写，就像下面这样：

always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst) beginif(!sys_rst)cnt2 <= 10'd0;else if(cnt == CNT - 7'd1)cnt2 <= cnt2 + 10'd1;elsecnt2 <= 10'b0 ;end

仿真出来就会这样：
在这里插入图片描述
会发现cnt_2ms压根连3都数不到！

所以cnt_2ms的清零是有额外条件的，不能简单把它扔到else里。

一种理解方式是：需要cnt_2ms数过最大值时，才能允许清零。
所以我们可以这样写：

if(!sys_rst || (cnt2 > CNT2))cnt2 <= 10'd0;

另一种理解方式是从波形图中来的：当cnt_2ms和cnt_2us都数到最大值时，才允许清零。

if(!sys_rst_n || (cnt_2ms == (CNT_2MS_MAX - 10'b1)&& (cnt_2us == (CNT_2US_MAX - 7'b1))))cnt_2ms <= 10'b0;

我把相关字加粗了，大家仔细理解一下~

这两种方式实现的效果难道有区别吗？？
别急~ 我们仿真看一下，第一种：
在这里插入图片描述
第二种：

区别很明显了吧……
（悄悄说一句其实第一种这种蹩脚的操作是我写的……）
咳咳，毋庸置疑，第一种也是可以完美实现的！！稀烂
事后我就开始琢磨，为啥我没想到第二种写法呢？
哎~ 其实我刚刚已经透露一点点了。

另一种理解方式是从波形图中来的

个人观点：我是按循环的思路来写的，第二种是按信号状态写的。或许在某种意义上，我仍深陷于软件编程的泥沼……

一起努力吧！

s级和ms级计数器一样一样的，就不废话啦，相信大家现在已经做出来从全灭到全亮的程序啦~

对于逆向过程，只需要设置一个标志位，然后根据标志位对led进行状态翻转即可，也没啥太大难度，大家自己改改调试一下就好。

之前看过不少程序思路分享，我就发现昂，大部分文章中的代码都是一截截的，这样做固然有道理，因为讲解得一段段讲。但对初学者就很不友好，因为我们大部分在学的时候几乎没有能力构建起程序框架，只会抄。所以在这个阶段，我们可能连拼出完整代码的机会都没有。

于是，我决定把整个代码给大家贴出来：

module breath(input sys_clk,input sys_rst,output reg led
);reg [6:0] cnt_2us;
reg [9:0] cnt_2ms;
reg [9:0] cnt_2s;reg flag;parameter CNT_2US = 7'd100;
parameter CNT_2MS = 10'd1000;
parameter CNT_2S = 10'd1000;always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst) beginif(!sys_rst)cnt_2us <= 7'd0;else if(cnt_2us < CNT_2US - 7'd1)cnt_2us <= cnt_2us + 7'd1;elsecnt_2us <= 7'd0;endalways @(posedge sys_clk or negedge sys_rst) beginif(!sys_rst || ((cnt_2ms == CNT_2MS - 10'd1) &&(cnt_2us == CNT_2US - 7'd1)))cnt_2ms <= 10'd0;else if(cnt_2us == CNT_2US - 7'd1)cnt_2ms <= cnt_2ms + 10'd1;elsecnt_2ms <= cnt_2ms;endalways @(posedge sys_clk or negedge sys_rst) beginif(!sys_rst)begincnt_2s <= 10'd0;flag <= 1'b1;endelse if((cnt_2us == CNT_2US - 7'd1) &&(cnt_2ms == CNT_2MS - 10'd1)&&(cnt_2s  == CNT_2S  - 10'd1))begincnt_2s <= 10'd0;flag <= ~flag;endelse if(cnt_2ms == CNT_2MS - 10'd1 && cnt_2us == CNT_2US - 7'd1)cnt_2s <= cnt_2s + 10'd1;elsecnt_2s <= cnt_2s;endalways @(posedge sys_clk or negedge sys_rst) beginif(!sys_rst)led <= 1'b0;else if(cnt_2ms < cnt_2s)beginif(flag)led <= 1'b1;elseled <= 1'b0;endelse beginif(flag)led <= 1'b0;elseled <= 1'b1;endendendmodule