呼吸灯设计
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呼吸灯设计涉及LED亮度调节，通过物理方法和PWM（脉冲宽度调制）实现。设计需求为使用ZX-1板卡实现4秒周期的呼吸灯功能，测试结果符合设计要求。文中还讨论了设计过程、测试方法及后续练习，包括闪光灯和呼吸灯功能的实现分析。
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Sep 24, 2024 01:29 PM
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Led Control
Pwm Technology
Circuit Design
一：呼吸灯背景
在电子设备中，比如手机未知消息/未接来电，往往会采用呼吸灯作为提醒作用。
二：呼吸灯过程分析
- 呼吸灯过程
吸过程：LED不亮到最亮 呼过程：LED最亮到不亮
呼吸过程：其实就是调节LED亮度
- 调节LED亮度方式分析
- 物理上采用给LED串联一个滑动变阻器，调节电阻器的阻值，从而来改变经过LED的电流，控制LED的亮度（电流在LED可承受范围内）。
- PWM（脉冲宽度调制）
主要对模拟信号进行数字化编码。
电流信号属于模拟量，故PWM可以使用。
改变LED的亮度实则使用PWM控制时就是调整方波占空比（占空比：高电平持续时间占整个周期比值）。
PWM调制频率：LED调节（500HZ~10KHZ）。
PWM实现：采用多个高精度计数器实现。
三：ZX-1板卡原理图
LED低电平点亮，高电平熄灭
独立按键作为复位信号，低电平代表闭合，的高电平代表断开
四：设计需求
使用ZX-1板卡上的一个LED实现呼吸灯功能，呼吸整个周期时间为4s，呼2s，吸2s。
五：设计分析
吸持续时间2s：假设LED从不亮到最亮分为1000次，每一次持续时间2s/1000=2ms；
那么每一小段（图中红色递增时间）持续时间为2ms/1000=2us
PWM调试频率：500HZ
根据板卡实际情况出发：板载晶振时钟50MHZ（T=20ns）。
PWM实现：采用多个高精度计数器实现。
通过分析：需要设置3个计数器来实现（2us/2ms/2s）
cnt_100 : 2us/20ns=100
cnt_2us : 2ms/2us=1000
cnt_2ms : 2s/2ms=1000
PWM产生：采用cnt_2ms和cnt_2us计数器来进行比较，如果cnt_2ms大于cnt_2us计数器，PWM输出为高电平，反之为低电平。
在第一个2ms中，PWM全部为低，在第二个2ms中，PWM只有一个2us高电平，
在第三个2ms中，PWM只有2个2us高电平，在第四个2ms中，PWM只有3个2us高电平…依次类推，在最后一个2ms中，PWM持续2ms-2us的高电平。
在可以实现呼/吸基础之上，讨论呼吸灯整个功能。
六：设计测试
呼吸灯功能测试结果和设计一致。
七：下板验证
- 安装USB-Blaster驱动
D:\altera\quartus\drivers\usb-blaster
- 分配管脚
查看EP4CE10F17C8N.tcl
- 全编译（CTRL+L）
为了生成下载配置文件.sof文件
- 下载程序到板卡
拓展：下载.sof文件到FPGA芯片上，断电程序会丢失。
可以选择将.sof文件下载在片外Flash（非易失性存储器：掉电数据不丢失，上电数据自读取）上；这种方式称为程序固化。
固化文件类型一般为.jic文件
八：练习
- 完成上课内容（理论+实现）
- 利用4个LED完成闪光和呼吸功能。
要求：
- 1和3LED完成闪光灯功能，闪光灯间隔时间为2s（2s全亮，2s全灭，周期4s）
- 2和4LED完成呼吸灯功能，呼吸周期4s（2s呼，2s吸）
练习2分享：
- 闪光灯实现分析
要求亮2s，灭2s，闪光周期4s。
T=2s, F=1/T=1/2s=0.5HZ
分频器：50MHZ~0.5HZ
CNT_MAX=Fclk/Fout（DUTY：50%）
- 闪光灯架构
- 整体设计架构
- 仿真测试结果
- 运行脚本文件使其管脚自动分配
EP4CE10F17C8N.tcl文件
适用于管脚比较多（一般10个以上）。
- 在线逻辑分析仪使用（板级调试工具）
- 采样定理（奈奎斯特定理）
- 采样深度
- 触发条件
Quartus II：SignalTap II Vivado：ila
F采 >= 2Fmax
其实也就是采样点个数。
可以设置采样点少/多，取决于片内存储器资源。一般合适即可。
电平触发（高电平/低电平），上升沿/下降沿触发，双边沿触发…
一般来说，简单的设计可以不用设置触发条件，如需设置，具体设计具体对待。
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