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|  V1.0  |  2020-05-28  |  gingko  |  初次建立  | 

===== 实验八：计数器实验——呼吸灯 =====
==== 一、 实验目的与意义 ====
  - 掌握计数器原理及使用方法；
  - 掌握ISE开发环境的使用。
==== 二、 实验设备及平台 ====
  - iCore4TX 双核心板[[https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c-s.w4004-22598974120.3.1cbb532fZXqtk2&id=614919247574|点击购买]]；
  - USB-CABLE（或相同功能）仿真器；
  - Micro USB线缆；
  - ISE开发平台；
  - 电脑一台；
==== 三、 实验原理 ====
  * 计数器是实现计数的一种最基本的加法运算。在FPGA中计数器的实质其实就是对驱动参考时钟进行计数，每当触发条件满足，计数器的寄存器参数实现自加，累加到某个状态进行清零操作。FPGA中常用计数器对系统时钟进行计数，实现时钟分频、定时器、延时、计数、控制等功能，是FPGA实现功能中常用的一种逻辑电路和时序控制方式。
  * 呼吸灯在生活中也较为常见，一般是通过控制LED的亮度渐变实现的。以本实验要实现的呼吸灯为例，要实现的效果为渐渐变亮，亮度最大后再渐渐变暗，最后熄灭，如此往复循环。LED的亮度变化是通过控制LED单位时间内亮的时间占比实现的；比如以10个时钟周期作为1个单位时间周期，当LED亮的时间持续2个时钟周期，熄灭的时间持续8个时钟周期，那么，当时钟周期较小时，每秒由成千上万个这样的单位时间构成；反馈到人的眼睛，由于视觉暂留，眼睛看不到很高频率的闪烁，而是看到LED的亮度很低。同理，当10个时钟周期里持续8个时钟周期的亮，则看起来亮度就高。
  * 呼吸灯的呼吸效果是如何实现的呢？以本实验为例，呼吸周期为2秒，则从暗到亮的过程持续1秒，从亮到暗的过程持续1秒。在从暗到亮的过程中，假如这1秒分成1000个单位时间周期，则每个单位时间周期里LED亮的时间都要比前一个久一点。同理，从亮到暗的过程则是每个时间单位周期里LED亮的时间都要比前一个短一点。
  * 以本实验呼吸灯亮的这1秒过程为例来阐述。系统时钟为25MHz，机1秒钟内有25M个系统时钟周期。将1秒分成5000个单位时间周期，每个单位时间周期持续5000个系统时钟周期。
    * **25M/5000=5000**
  * 那么，只需将这5000个单位时间周期内LED亮的时间从0~5000逐渐增加，这1秒LED看起来就是逐渐变亮的；同理也可以控制LED灯逐渐变暗。
==== 四、 代码讲解 ====

  * 原理部分讲解了呼吸灯的实现原理。下面通过代码讲解如何实现LED呼吸的效果。
  * 首先定义变量cnt1和cnt2；cnt1是对单位时间周期内系统时钟进行计数，cnt2是对单位时间周期（即cnt1）进行计数，那么cnt1*cnt2=25M,。然后定义变量flag，每过1秒翻转1次，则可以在flag的不同状态控制LED是渐亮还是渐灭。
  * 具体的LED在1个单位时间周期内亮的时间持续多少个系统时钟周期，是通过cnt1和cnt2的值比较判断的。由于cnt2是逐1自加的，那么每次在cnt1从1累加到4999的过程中，cnt2是不变的，而且每次cnt1累加的过程中，cnt2总比前一个值大1；那么，在cnt1累加的过程中，小于cnt2的值的时候，控制led亮，在cnt2累加的过程中即可实现led逐渐变亮。逐渐变暗的过程同理，只需控制cnt1大于cnt2的时候led亮即可。
  * 代码如下：
<code verilog>
//-------------------cnt1--------------------//
//对系统时钟进行计数
always@(posedge clk_25M or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
	    cnt1<=13'd0;
	else	if(cnt1==13'd4999)
	    cnt1<=13'd0;
	else
	    cnt1<=cnt1+1'd1;
//------------------cnt2-------------------//
//对cnt1进行计数		
always@(posedge clk_25M or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
	    cnt2<=13'd0;
	else if((cnt1==13'd4999)&&(cnt2==13'd4999))
	    cnt2<=13'd0;
	else if(cnt1==13'd4999)
	    cnt2<=cnt2+1'd1;
//-----------------flag--------------------//
//flag为1时led逐渐变亮，flag为0时逐渐变暗
reg flag;
always@(posedge clk_25M or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
	    flag<=1'd0;
	else if((cnt2==13'd0)&&(cnt1==13'd0))
	    flag<=~flag;
//-----------------led--------------------//
//控制LED在哪个范围内亮和灭
always@(posedge clk_25M or negedge rst_n)
	if(!rst_n)
	    led_r<=1'd1;
	else if((flag==1'd1)&&(cnt2<cnt1))
	    led_r<=1'd0;
	else if((flag==1'd0)&&(cnt2>cnt1))
	    led_r<=1'd0;
	else 
	    led_r<=1'd1;
</code>
==== 五、 实验步骤及实验结果 ====

{{ :icore4tx:icore4tx_fpga_8_1.png?direct&400 |图8-1}}
  - 将硬件正确连接，如图8-1所示。
  - 将编写好的代码进行编译，并下载到开发板中；
  - 观察实验现象——FPGA_LED逐渐变亮然后逐渐变暗，循环进行。
==== 六、 拓展实验 ====
  * 调整LED灯的呼吸周期。
  * 通过计数器，控制LED熄灭之后延迟一段时间再逐渐变亮。