[FPGA]Verilog利用PWM调制巧妙完成RGB三色彩虹呼吸灯(给简约的题目以美妙的解答)

概述

实现彩虹呼吸灯

题目就是这么简短,但这是目前我碰到的最有意思的一道题目,因为他有无数种解决方法,并且每一种都是那么高级或者巧妙,比如

• 可以利用3路不同初相的PWM调制信号驱动三颗RGB灯重叠呼吸
• 利用1路PWM信号以及状态机,将一个周期分为3个状态,分别是[R降G升B灭],[R灭,G降,B升]和[R升,G灭,B降],依次往复实现重叠呼吸
• 将PWM拆分为3段,分别为升,降,灭,在不同时间周期性的输送给RGB实现重叠呼吸

当然,不只这几种,还有更高级的方法或者生成语句也可以更加简练的完成题目,在这里,我将采取上面罗列的几种方法的一种折中方案,采取"拆分PWM","三元运算符实现单行条件信号分配","监视模块内运行情况并以监视信号作为状态转换的触发条件"来实现彩虹呼吸灯.

题目分析

题目只有七个字:"实现彩虹呼吸灯",其中"呼吸两个字",已经确定了这个实验和脉宽调制扯不开干系,另外"彩虹"也说明这个实验需要很多的色彩,单单靠单色LED是完成不了的,一定需要三色RGB完成,并且只是让R,G,B三个LED交替呼吸,也达不到"彩虹"的效果,所以需要让三色灯按照一定的规律重叠呼吸,这里为了方便,我按照下图示意的样式进行编程

(抱歉画工实在欠缺,咳咳)

意思就是在R灯最亮时,G灯开始升,R灯开始降,在G灯最亮时,R灯已灭,B灯开始升,G灯开始降,以此类推.

通过这个图也可以容易的分成三个情况,用以实现状态机.

PWM

PWM是个啥?

PWM( Pulse width modulation )就是脉冲宽度调制,是一种通过数字信号对模拟信号控制的有效技术.简单来说,规律的进行脉宽调制,比如将一束方波的占空比不断减小,那么这束方波的有效值也相应的减小,占空比增大,有效值也增大,借此来对LED的亮度进行控制,加以周期性的增减,即可实现呼吸灯.

呼吸灯只是PWM的一个具体应用.

PWM咋实现?

在之前的学习早已接触过PWM调制的实现方法,在这里直接给出代码,可以通过注释回忆PWM实现过程

module PWM
(input CLK
,input FLAG//标志位,控制输出的PWM是升还是降(1升0降)
,output STT//监视信号(脉冲)
,output PWM
);

reg[24:0]cnt1;
reg[24:0]cnt2;

parameter freq=2400;//通过这个freq来控制PWM的周期

reg stt;//监视状态
always@(posedge CLK)
    if(cnt2==freq-1)//cnt2满,则状态为1(只持续一个时钟周期)
        stt<=1'b1;
    else
        stt<=1'b0;
assign STT=stt;

always@(posedge CLK)
    if(cnt1>=freq-1)//满则清零
        cnt1<=1'b0;
    else 
        cnt1<=cnt1+1'b1;

always@(posedge CLK)
    if(cnt1==freq-1)//cnt1满,以cnt1从空到满为一个周期执行操作
        if(FLAG)//升的情况
            if(cnt2>=freq-1)
                cnt2<=1'b0;
            else
                cnt2<=cnt2+1'b1;//升
        else//降的情况
            if(cnt2<=0)
                cnt2<=freq-1;
            else 
                cnt2<=cnt2-1'b1;//降
    else
        cnt2<=cnt2;

assign PWM=(cnt1<cnt2)?1'b0:1'b1;//PWM的核心,输出调制好的PWM信号

endmodule

本代码参考此网页,内有更详细的图片和讲解

代码中的stt和STT是监视脉冲,不影响PWM输出;输入信号FLAG控制PWM输出信号是升还是降.二者作用在顶层代码处详细解释.

顶层模块

PWM很容易实现,需要动脑子的就是如何通过例化模块来实现交替呼吸.下面给出我的算法.

例化模块

先看代码

wire UP;
wire DW;
wire STT0;
wire STT1;
PWM up(CLK,1,STT0,UP);
PWM dw(CLK,0,STT1,DW);

其中up例化模块中的1代表FLAG,在此表示这个up例化模块是一个"升"模块,即为可以产生控制LED亮度从灭到亮的PWM信号,dw例化模块则代表可以产生一个可以控制从亮到暗的PWM信号.通过这个设计可以将PWM模块的功能拆分,提供两种模式供主模块灵活调用.

代码中的UP和DW分别为代表亮度升和亮度降的PWM信号.

状态分析

这里不按照文首的那种状态机思路来写,而是将RGB三色灯分成3路对待,这里先以R为例.

对R来说,他的亮灭规律为:升(一单位时间),降(一单位时间),灭(一单位时间).然后可以以此来写条件语句进行信号分配,可能第一时间想到的就是直接定义一个分频,不同时间显示不同状态即可,但是这种写法不利于后期拓展,易读性和可维护性也稍差,在这里采用很方便的"三元运算符"解决.先来看这段代码

reg[1:0]flag0=2'b00;
always@(posedge STT0)
    if(flag0==2'b10)
        flag0<=1'b0;
    else
        flag0<=flag0+1'b1;

这里定义了一个标志为flag0,它是以上文提到过的监视脉冲STT为触发进行递增计数的,STT是一个在PWM模块内每一个工作周期完成后就输出一单位时间高电平的监视脉冲,通过这个脉冲可以知道PWM已经工作完一个周期,可以进行下一周期的工作,在顶层代码里则充当了状态转移的触发条件.

再来看这一行代码

assign LED[0]=(flag0==2'b00)?UP:((flag0==2'b01)?DW:1'b1);

这一行是实现RGB灯工作状态的核心代码,通过(两层)三元运算符在一条表达式内就完成了条件赋值.

这条代码的意思就是,如果标志位flag0是2'b00,则R亮度升,若不是,则检测标志为是否为2'b01,若是,则R亮度降,如不是,则灭.然后通过上一个代码块中的代码可以知道,每一个PWM周期完成后(表现为R已到达最亮或者最暗),状态发生转移,标志为变为下一个状态,R也就在完成了亮度升之后立刻开始亮度降,宏观表现为"呼吸"的状态.

代码整合

上文里两个代码块就足以让一个灯完成一个状态的工作,这部分代码如下

reg[1:0]flag0=2'b00;
always@(posedge STT0)
    if(flag0==2'b10)
        flag0<=1'b0;
    else
        flag0<=flag0+1'b1;
assign LED[0]=(flag0==2'b00)?UP:((flag0==2'b01)?DW:1'b1);

reg[1:0]flag1=2'b01;
always@(posedge STT0)
    if(flag1==2'b10)
        flag1<=1'b0;
    else
        flag1<=flag1+1'b1;
assign LED[1]=(flag1==2'b00)?UP:((flag1==2'b01)?DW:1'b1);

reg[1:0]flag2=2'b10;
always@(posedge STT0)
    if(flag2==2'b10)
        flag2<=1'b0;
    else
        flag2<=flag2+1'b1;
assign LED[2]=(flag2==2'b00)?UP:((flag2==2'b01)?DW:1'b1);

三个灯就相当于将这一段代码例化三次,就可以让三色灯分别进行互相不影响的状态转移(呼吸变化),但是我们的目的是让他们按照文首图中的规律重叠呼吸,该怎么实现呢?

这很简单,很容易想到,三段一样的代码里都分别有一个独立的标志为flag,他是reg类型数据,所以可以在定义时给他分配一个初始状态,这样就相当于给三个灯设置了不同的初相,在后面工作的时候由于工作周期相同,就会一直保持最开始的相位差,周期性的进行文首图中的交替呼吸.

至此,彩虹呼吸灯已经完成.

效果

最后的效果图点此查看,图片较大,加载可能比较慢.(因为灯实在是太亮了,就蒙了一层纸来观察颜色变化)

后话

这篇文章是目前写过的第二费力的了,其中的代码更新了很多很多次,在琢磨更精简更巧妙的算法上和修Bug上花了很多的时间和精力,前前后后烧录上板测试不下50次(不夸张T_T),在本地commit了无数个版本,回滚了无数次,一遍一遍修改,最后才得到了你看到的这些代码.我的水平有限,所以就算如此文中的代码和讲解一定有所缺漏,还请希望大家多多包涵,并指出不足之处,改进这篇文章,来帮助更多的人.

本项目完整代码存放在我的Github中,最新版以Github上为准(顺路给颗Star呗;-)