FPGA基础代码1——呼吸灯（上）（超详细，手把手教学！！！）

目录

引入

1.什么是PWM波

2.实现任意占空比PWM波

（1.）编写代码

（2）编写仿真代码

（3）仿真验证

3.实现最简单的呼吸灯

（1）实现思路

（2）最简单呼吸灯代码编写

（3）仿真验证

4.最简单的呼吸灯下板子验证 

5.总结

引入

        首先我们需要了解什么是呼吸灯，呼吸灯实际上在我们的日常生活中非常常见，就比如一些手机充电的时候，手机上就会有一闪一闪的LED灯珠，从灭到亮再从亮到灭，这就是呼吸灯。而如果我们想要使用Verilog开发FPGA从而实现呼吸灯的话，就需要学习PWM波，从而实现呼吸灯。

1.什么是PWM波

PWM是一种通过调节脉冲的​​占空比​​（高电平时间占整个周期的比例）来模拟不同电平的技术。

周期（Period）​​：一个完整PWM波的时间长度（如1ms）。

​​占空比（Duty Cycle）​​：高电平时间占周期的百分比（如50%）​

上图便是一个60%占空比的PWM波的波形图

其中每五个clk周期便是一个PWM周期，其中前两个clk时钟周期，PWM信号为低，后三个clk时钟周期PWM信号为高——3/5*100%=60%

PWM的周期和占空比讲解完了之后，我们再来讲解一下介绍中的这句话 “模拟不同电平的技术”

就拿LED举例子，假如我给这个LED灯5V电压，其亮度为100（只是假设的值），那么我给这个LED灯2.5V的电压，其亮度应该为50（理想情况）

但是我们都知道FPGA开发板的IO口的输出电压是不好调节的，并且就算调节输出电压的话也没有办法很连贯的调节，比如0.2V，0.015V这些都是做不到的

因此我们就需要PWM波来模拟这种电平，比如上面的60%占空比的PWM波，假如我们FPGA开发板的输出电压是5V，那么60%占空比的PWM波就能够模拟3V的输出（5V*60%），LED灯的亮度为60，就会比正常情况下的LED灯暗一点

综上，我们可以发现只要我们调节PWM波的占空比，就可以调节LED灯的亮度，只要将PWM波的占空比连贯的调节，那么我们就可以实现呼吸灯了！）

2.实现任意占空比PWM波

（1.）编写代码

在实现呼吸灯之前，我们先来实现输出任意占空比的PWM波，这样子才方便我们接下来去编写代码实现呼吸灯

首先我会将整体代码全部粘贴出来，然后分点的详细解释，将整体代码贴出来只是为了方便大家复制和查看，所以我推荐大家先粗略将整体代码看一眼，有一个印象，随后再查看下面的详细解释

`timescale 1ns / 1ps//输出任意占空比的PWM波module PWM_MAKER ( input clk, // 系统时钟（50MHz） input rst_n, // 低电平复位 output pwm // PWM输出);parameter CLK_FREQ = 5000_0000; // 50MHZ系统时钟parameter PWM_FREQ = 1000; // PWM周期为1000HZ/S，也就是1msparameter MS_CNT_MAX = CLK_FREQ / PWM_FREQ; //在50MHZ的系统时钟下，每50000个系统时钟周期等于1msparameter DUTY_CYCLE = 30; // 占空比30%（0~100可调）parameter DUTY_THRESHOLD = (MS_CNT_MAX * DUTY_CYCLE) / 100; // 计算阈值（比如在30%占空比情况下，那么我们就需要计算出来毫秒计数器计数最大值的30%）reg [15:0] ms_cnt; //毫秒计数器//毫秒计数器always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin ms_cnt = MS_CNT_MAX - 1) ms_cnt <= 0; else ms_cnt <= ms_cnt + 1; endend// PWM输出assign pwm = (ms_cnt < DUTY_THRESHOLD) ? 1 : 0; // 比较阈值然后输出PWMendmodule

首先，大部分的FPGA开发板的时钟都是50MHZ，因此本代码中使用的便是50MHZ，如果大家开发板的时钟频率不同的话，请自己在parameter中调整就可以！

parameter CLK_FREQ = 5000_0000; // 50MHZ系统时钟parameter PWM_FREQ = 1000; // PWM周期为1000HZ/S，也就是1msparameter MS_CNT_MAX = CLK_FREQ / PWM_FREQ; //在50MHZ的系统时钟下，每50000个系统时钟周期等于1ms

在开始编写PWM生成代码之前，我们先回忆一下PWM波的两个重要知识，分别是PWM周期，PWM占空比

周期的话是任意指定的，比如1ms一个周期，10ms一个周期都可以，在本次实验中我们使用的是1ms作为PWM周期

那么现在我们就需要计算出来多少个系统时钟周期等于一个PWM时钟周期了，这也就是这行代码的用处：parameter MS_CNT_MAX = CLK_FREQ / PWM_FREQ;

计算的结果是每50000个系统时钟周期等于一个PWM时钟周期，也就是1ms

接下来，我们需要开始指定PWM波的占空比：

parameter DUTY_CYCLE = 30; // 占空比30%（0~100可调）parameter DUTY_THRESHOLD = (MS_CNT_MAX * DUTY_CYCLE) / 100; // 计算阈值（比如在30%占空比情况下，那么我们就需要计算出来毫秒计数器计数最大值的30%）

在这里，我们设定占空比为30%，也就是一个PWM周期中，有30%的时间会输出高电平，剩下的70%时间输出为低电平

既然我们知道30%时间为高电平，那么我们就需要计算出来30%的时间（也就是30%个PWM周期）是多少个系统时钟周期，这也就是这行代码的用处：parameter DUTY_THRESHOLD = (MS_CNT_MAX * DUTY_CYCLE) / 100; 

到现在为止，我们已经计算出来了多少个系统时钟周期为一个PWM周期，以及计算出来了多少个系统时钟周期为PWM波中高电平的时间

有了这两个数值之后，我们终于可以开始编写代码了！

reg [15:0] ms_cnt; //毫秒计数器//毫秒计数器always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) ms_cnt = MS_CNT_MAX - 1) ms_cnt <= 0; else ms_cnt <= ms_cnt + 1;end

上面的代码是毫秒计数器的代码，也是我们一个PWM周期计数的代码

其的核心逻辑就是：如果复位信号有效，则直接清零，如果毫秒计数器记满（也就代表1ms过去了），那么我们也需要将计数器清零，这样才能持续且重复的计数

最后，如果既没有复位信号，也没有记满一个PWM周期（1ms），那么就自己加一，直到记满

是不是非常的简单！

毫秒计数器的代码编写完了之后，我们就需要开始编写PWM波输出的逻辑了

// PWM输出assign pwm = (ms_cnt < DUTY_THRESHOLD) ? 1 : 0; // 比较阈值然后输出PWM

这部分的代码也十分的简单，就只有一行

其的核心逻辑就是比较现在的毫秒计数器和“30%占空比所占的系统时钟数量”进行比较，如果毫秒计数器小于这个值，则输出高电平，反之输出低电平

（这部分我担心大家可能看不太懂，因此详细的讲解一下，如果你看懂了，那可以直接无视这个括号内的内容

ms_cnt的计数基准是clk，也就是系统时钟，每一个系统时钟周期其加一，当其计数了50000个系统时钟周期后代表1ms过去了，也就是一个PWM周期过去了

而DUTY_THRESHOLD这个常量的产生逻辑是：(MS_CNT_MAX * DUTY_CYCLE) / 100

也就是：毫秒计数器的计数最大值（也就是50000）*占空比（这里是30%，也就是0.3，但是Verilog中别用小数，因此我们先扩大一百倍，最后除以100倍）

故，DUTY_THRESHOLD这个常量的计数基准也是clk（其数值为15,000个clk）

综上，每50000个系统时钟周期（也就是一个PWM周期）中，前15000个系统时钟周期（也就是DUTY_THRESHOLD这个常量的值）输出高电平，其余时间输出低电平，从而实现了我们30%占空比的PWM波输出）

（2）编写仿真代码

`timescale 1ns / 1nsmodule tb_top();reg clk ;reg rst_n ;wire pwm ;initial begin rst_n = 0 ; clk = 0 ; #100 rst_n = 1 ;endalways #1 clk = ~clk ;PWM_MAKER u_PWM_MAKER( .clk (clk), .rst_n (rst_n), .pwm (pwm));endmodule

仿真代码没什么好说的，在本项目中我们没有引入外部输入，比如按键之类的，因此我们只需要不断产生一个时钟信号就可以（之所以使用#1 clk = ~clk，而不是#10，是为了更快的仿真出结果罢了）

（如果你不是很懂仿真的话，我简单的讲解一下，initial代表一开始会发生什么，然后#x代表延迟多少ns，always表示一直去做什么事情

在这个仿真代码中，我们initial也就是一开始让复位信号为0，时钟为0，等待100ns后复位信号为1

然后我们always也就是一直让clk每1ns翻转一次，从而产生了时钟信号）

（3）仿真验证

通过仿真波形图我们可以清晰的看出来，我们成功的实现了30%占空比的PWM波的输出

3.实现最简单的呼吸灯

（1）实现思路

在上面，我们成果的实现了任意占空比（只需要修改常量DUTY_CYCLE即可）的PWM生成代码，现在我们可以开始编写一个最简单的呼吸灯了

至于实现的思路也很简单，就是让输出的PWM波的占空比连续改变，比如：1%，2%，3%……98%，99%，100%这样子

也就是说，我们要编写代码来让PWM波的占空比自己改变！

好了，咱们现在自己来给自己布置一个任务，实现一个最简单的呼吸灯，让其每秒钟从灭到亮的变化

（2）最简单呼吸灯代码编写

和之前一样，先将全部代码粘贴出来，然后再详细的讲解

`timescale 1ns / 1ps//在一秒钟内逐渐变亮的呼吸灯代码module PWM_LED( input clk ,//输入的系统时钟 input rst_n ,//输入的系统复位 output led//输出的led灯);parameter CLK_FREQ = 5000_0000 ;//50MHZ系统时钟parameter PWM_FREQ = 1000 ;//PWM周期为1000HZ/S，也就是1msparameter MS_CNT_MAX = CLK_FREQ/PWM_FREQ ;//在50MHZ的系统时钟下，每50000个系统时钟周期等于1msparameter S_CNT_MAX = PWM_FREQ ;//秒计数器是基于毫秒计数器进行工作的，毫秒计数器记满1000次等于一秒钟过去了parameter CNT_MULTI = MS_CNT_MAX / S_CNT_MAX ;//毫秒计数器和秒计数器之间，计数最大值的倍数关系reg [9:0] s_cnt ;//秒计数器reg [15:0] ms_cnt;//毫秒计数器//毫秒计数器always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begin ms_cnt = MS_CNT_MAX - 1\'b1)begin ms_cnt <= 16\'b0 ; end else begin ms_cnt <= ms_cnt + 1\'b1 ; endend//秒计数器always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begin s_cnt = S_CNT_MAX - 1\'b1 && (ms_cnt >= MS_CNT_MAX - 1\'b1))begin s_cnt <= 10\'b0 ; end else if(ms_cnt == MS_CNT_MAX - 1\'b1)begin s_cnt = s_cnt)?0:1;//将毫秒计数器的值除以50（倍率），这样子除下来的值最大值就为1000，和秒计数器的最大值相同endmodule

在第一部分PWM波代码编写当中，我们都知道PWM波最终输出的代码是只有一行的：

assign pwm = (ms_cnt < DUTY_THRESHOLD) ? 1 : 0; // 比较阈值然后输出PWM

其中的DUTY_THRESHOLD就是当前占空比（比如30%占空比）输出高电平的时间（计数基准是系统时钟，30%占空比为15000个clk；不过请注意，这些数值都是建立在PWM周期为1ms的，如果PWM周期改变，DUTY_THRESHOLD也要改变，相信聪明的你一定知道为什么！） 

而我们前面又说了，实现呼吸灯实际上就是修改PWM的占空比

因此，我们实际上需要改变的就是DUTY_THRESHOLD的值，那么在编写呼吸灯的代码中，这个值就不能和之前一样是一个常量了，而是需要代码自己改变的

所以我们定义了一个新的寄存器：

reg [9:0] s_cnt ;//秒计数器parameter PWM_FREQ = 1000 ;//PWM周期为1000HZ/S，也就是1msparameter S_CNT_MAX = PWM_FREQ ;//秒计数器是基于毫秒计数器进行工作的，毫秒计数器记满1000次等于一秒钟过去了

这个秒计数器的计数最大值为1000，其的计数基准是ms_cnt

用人话来说就是：当ms_cnt每记满一次，s_cnt加一，代表1ms过去了

如果s_cnt记满了，则清零，代表1s钟过去了（也代表着呼吸灯从灭到亮结束了）

而这个计数器，就将代替我们之前定义的常量DUTY_THRESHOLD

（至于为什么能够代替，听我接下来详细讲解）

首先，我们将秒计数器的逻辑写出来：

//秒计数器always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if(!rst_n)begin s_cnt = S_CNT_MAX - 1\'b1 && (ms_cnt >= MS_CNT_MAX - 1\'b1))begin s_cnt <= 10\'b0 ; end else if(ms_cnt == MS_CNT_MAX - 1\'b1)begin s_cnt <= s_cnt + 1\'b1 ; endend

秒计数器的实现比较简单，只需要注意秒计数器清零的时候，一定是其本身已经最大了，且ms计数器也最大了

而毫秒计数器和PWM生成部分一样，就不再次重复了，直接看最关键的代码部分，也就是呼吸灯输出的部分：

//呼吸灯assign led = ((ms_cnt / CNT_MULTI) >= s_cnt)?0:1;//将毫秒计数器的值除以50（倍率），这样子除下来的值最大值就为1000，和秒计数器的最大值相同parameter CNT_MULTI = MS_CNT_MAX / S_CNT_MAX ;//毫秒计数器和秒计数器之间，计数最大值的倍数关系

核心逻辑就是，如果ms_cnt的值除以一个常数后，还大于s_cnt的值，那么就输出0

（这个常数比较关键，因为ms_cnt的最大值为50000，而s_cnt的值为1000，两者想要相互比较后再生成任意占空比的PWM波的话，就需要将最大值统一一下，为什么要统一一下，下面会讲

这里他们两者之间的最大值相差为50倍，故将ms_cnt的值除以50，当然也可以将s_cnt的值乘以50，而乘消耗的资源是比除要小的，不过这种超级简单的工程就不用考虑什么资源占用了，随便写就行）

（带入数值举例：

当ms_cnt记满了3次之后，s_cnt的值就为3，那么会在ms_cnt的值为0-149的时候，输出高电平，占空比是0.3%

同理，如果s_cnt为100的话，那么在ms_cnt的值为0-4999的时候输出高电平，占空比是10%

相信聪明的你一定看出来了，s_cnt的值改变，成功的将PWM输出的占空比也改变了

这也就是为什么要把ms_cnt的最大值和s_cnt的最大值统一一下，只有它们两个最大值想等的情况下，才能输出最高为100%占空比的PWM波

如果不统一的话，ms_cnt的最大值比s_cnt的最大值大50倍，那么就会导致最多只能输出2%占空比的PWM波（就是0-2%占空比）

大家可以在不统一到1000的情况下，带入一些数据计算一下，就会发现最多只能输出2%占空比的PWM波了）

（3）仿真验证

仿真代码和PWM波生成的仿真代码是一样的，不需要改变的（只有例化部分改动一下就可以，核心代码不变）

`timescale 1ns / 1nsmodule tb_top();reg clk ;reg rst_n ;wire led ;initial begin rst_n = 0 ; clk = 0 ; #100 rst_n = 1 ;endalways #1 clk = ~clk ;PWM_LED u_PWM_LED( .clk (clk), .rst_n (rst_n), .led (led));endmodule

通过上面的仿真波形图可以看出，PWM的生成逻辑和我们预期的一样，当s_cnt为100的时候，ms_cnt为4999的时候，输出的PWM波（led信号）才会从高电平变为低电平

通过上面的仿真波形图可以看出，当s_cnt == 100的时候，PWM波的占空比为10%（可以肉眼估测，也可以算时间） 

4.最简单的呼吸灯下板子验证 

绑管脚，综合，生成比特流最后下板（如何下板属于基础中的基础了，我这个系列只讲代码部分，如果很多人都不懂如何下板，甚至不懂如何创建工程，乃至不知道如何下载vivado或者FPGA开发工具的话，我会看情况出文章讲解）

开发板板载LED灯成功的在每秒钟内从灭到亮不断变化

（不过请注意，由于该变化是线性变化的，而人眼对亮度的感知是非线性的（近似对数关系），因此如果你也下板了后，就会发现这玩意亮度变化好像有点不均匀啊

这是正常现象，代码是正确的）

5.总结

现在我们成功的实现了一个最简单的呼吸灯，不过相信聪明的你一定发现了许多问题，就比如：

一般的呼吸灯不都是从灭到亮，再从亮到灭吗？

在verilog中使用了除法或者乘法

这些问题我会在呼吸灯讲解（下）中解决，这篇文章也写了七千多字了，就暂时先这样吧~