我们给模块取名为breath_led，同样本例我们也会用到计数器，所以时钟和复位信号也是必须有的，且输入只有时钟和复位信号。我们只需要控制一个led灯进行“呼吸”就可以了，所以输出是一个名为led_out的输出信号。根据上面的分析设计出的Visio框图如图 22‑3所示。

图 22‑3 呼吸灯模块框图

端口列表与功能总结如表格 22‑1所示。

表格 22‑1 呼吸灯模块输入输出信号描述

信号

位宽

类型

功能描述

sys_clk

1Bit

Input

工作时钟，频率50MHz

sys_rst_n

1Bit

Input

复位信号，低电平有效

led_out

1Bit

Output

输出控制led灯

在画波形之前，我们先分析一下该如何才能让 led灯实现“呼吸”的效果。整个呼吸灯“呼吸”的效果分为两部分，一个过程是从灭到亮，另一个过程是从亮到灭。为了把复杂的问题简单化，我们把led整个“呼吸”的动作进行分解，先分析从灭到亮的过程，而从亮到灭则是与之相反的一个过程。

为了让“呼吸”的效果表达的比较完美，我们把从灭到亮的时间设置为1s，也就是led灯在1s的时间内完成从灭到亮的效果，同理从亮到灭也是一样的时间。我们知道在安全范围内给led灯供的电压越大led灯也就越亮，难道这里我们要控制led灯的电压渐渐变大吗？显然这是不现实的，所以我们用另一种方法，通过控制PW M的占空比来实现led灯越亮的效果。我们知道同一时间段内，如果供给led灯一个脉冲信号的低电平持续的时间越长（高电平持续的时间越短）led灯就越亮，我们就是通过调整PWM实现高低电平的占空来调控led灯的亮度，我们取n个相同的时间段，然后让低电平的持续时间按照相等的时间间隔逐渐增多，这样子我们看上去 的led灯就会越来越亮了。

知道了原理后我们就要进一步分析该如何具体实现，首先我们需要在1s的时间内产生很多个时间相等的小段，然后控制每个时间小段中低电平持续的时间渐渐增加就可以了。为了让“呼吸”效果显得更加细腻，我们把1s的时间分成1000个时间相等的时间小段，每个小段的时间就是1ms，这1000个1ms的时间小段中低电平持 续的时间还不能相等，要有一个从少到多渐渐递增的关系，为了让1000个1ms的时间小段都不一样，我们就需要将1ms再分成1000个时间小段，那么每一个时间小段就是1us， 在逐渐变亮的过程中我们可以让led灯在第1个1ms的时间小段内亮0us，即全灭；第2个1ms的时间小段亮1us；第3个1ms的时间 小段亮2us，……，第998个1ms的时间小段亮997us，第999个1ms的时间小段亮998us，第1000个1ms的时间小段亮999us。在逐渐变灭的过程中同理，我们划分的等级越多，“呼吸”的就越顺畅，看上去的效果就越好，但是人眼的分辨率的有限的，当大于这个分辨率人眼就看不出来这种差异了。

下面我们开始进行波形的绘制，首先画出输入时钟和复位的波形，根据分析我们至少需要设计三个计数器，分别为用于计数从灭到亮1s时间的cnt_1s计数器、用于划分1000个1ms时间小段的cnt_1ms计数器和用于划分1000个1us时间小段的cnt_1us计数器。然后就是要确定每个计数器计数开始和清零的条 件。我们先画出cnt_1us计数器的波形，根据50MHz的时钟计算得需要计50个数，即计数器从0计数到49，只要不复位则计数器一直计数，cnt_1us计数器计数满即可清零。接下来就是产生cnt_1ms计数器的波形，我们想是不是可以利用已经产生好的cnt_1us计数器来产生cnt_1ms计数器呢？答案 是当然可以的，我们完全没有必要再重新产生一个计数1ms的计数器，而是利用已经做好的1us计数器，根据cnt_1us计数器的时间计算得每当cnt_1us计数器计数到49时cnt_1ms计数器加1，cnt_1ms计数器计数到999且cnt_1us计数器同时也计数到49时cnt_1ms计数器才能清零，如果 少了cnt_1us计数器计数到49这个条件，仿真时会发现最后一个1ms的时间小段是不够1ms时间的。我们也用同样的方法产生cnt_1s计数器，每当cnt_1ms计数器计数到999且cnt_1us计数器计数到49时cnt_1s计数器加1，cnt_1s计数器计数到999且cnt_1ms计数器计数到999 且cnt_1us计数器计数到49三个条件同时满足时cnt_1s计数器清零（条件如此多的原因和cnt_1us计数器的分析是相同的，编写代码仿真时可以观察效果）。设计好的三个计数器的波形如图 22‑4所示。

图 22‑4 计数器产生波形图

我们产生了所需要的三个计数器后新的问题来了，我们该如何才能让每一个1ms的时间小段的低电平持续时间都不一样且渐渐增加呢？这是本实验的一个难点所在，之所以说是难点在于需要我们仔细观察、联想才能找到答案，而且还涉及到一个小小的技巧问题。如图 22‑5所示，我们先画出呼吸灯从灭到亮时间段预期的led_ou t波形图，结合三个计数器我们发现led_out为低电平时间时cnt_1s计数器的计数值总是小于cnt_1ms计数器的计数值，这简直就是太完美的发现了，我们让cnt_1s计数器的计数值大于cnt_1ms计数器的计数值就可以实现每一个1ms的时间小段的低电平持续时间都不一样且渐渐增加的效果。同理呼吸灯从 亮到灭正好是相反的过程，如图 22‑6所示，要使cnt_1s计数器的计数值总是大于cnt_1ms计数器的计数值才能实现每一个1ms的时间小段的低电平持续时间都不一样且渐渐减小的效果。

图 22‑5 呼吸灯波形图（一）

图 22‑6 呼吸灯波形图（二）

为了区分从灭到亮和从亮到灭两个过程我们使用一个标志信号，这个标志信号不是脉冲，而是一个电平，更准确的来讲应该叫使能信号，这里我们取名为cnt_1s_en，如图 22‑7和图 22‑8所示，cnt_1s_en使能信号为低电平时实现呼吸灯从灭到亮的过程，cnt_1s_en使能信号为高的时候实现呼吸灯从亮到灭的过程，cnt_1s_en使能信号就这样来回取反就可以了，取反的条件和cnt_1s清零的条件相同即可，这样才能够表示完整的1s时间。

图 22‑7 呼吸灯波形图（三）

图 22‑8 呼吸灯波形图（四）

为了后面仿真和修改呼吸灯“呼吸”的时间，我们将计数器的计数个数用parameter进行定义。呼吸灯模块参考代码如下。

代码清单 22‑1 呼吸灯模块参考代码(breath_led.v)