🎮 第二课：时序逻辑入门-零基础FPGA闯关教程
🎯 学习目标：通过两个趣味项目，学会用按键控制LED、理解PWM调光原理
⏱️ 预计时间：2-3小时（包含动手实践）
🛠️ 需要准备：
- FPGA开发板（或仿真软件）
- 1个LED灯
- 1个按键开关
📖 开始前的小故事
还记得第一关我们让LED自己闪烁吗？这次我们要更进一步：
项目1 ：按一下按键，LED闪烁速度变快（就像给电风扇调速）
项目2：让LED像"呼吸"一样慢慢变亮再变暗（模仿手机呼吸灯）
准备好了吗？Let's Go! 🚀
🎮 项目1：可调速LED（像遥控器调电扇速度）
🤔 先理解原理（用生活例子）
📺 类比：电视机的频道切换
按一次遥控器 → 换到下一个频道
再按一次 → 继续换频道
按第3次 → 回到第1个频道（循环）
我们的LED也是这样：
按一次按键 → 1秒闪1次
再按一次 → 1秒闪2次
第3次 → 1秒闪4次
第4次 → 又回到1秒闪1次🧩 需要解决的3个小问题
问题1：按键信号不干净❌
真实情况：当你按下按键的瞬间，信号其实是这样的：
理想信号： ┐_________ （干净的一次按下）
实际信号： ┐_┐_┐____ （抖动！像弹簧）
↑ 这些毛刺会被误认为按了好几次解决办法 ：防抖动 - 等待20毫秒，确认信号稳定了再认可
问题2：按住不放会一直触发❌
我们想要的 ：只在"按下瞬间"切换一次速度
不想要的：按住不放，速度疯狂切换
解决办法 ：边沿检测 - 只在信号从"1变成0"时触发
松开状态: ‾‾‾‾‾‾
按下瞬间: ↓ 只在这一刻触发！
按住状态: ______问题3：需要记住当前是哪个速度档位
解决办法 ：状态机 - 像红绿灯一样，记住当前状态
状态机工作流程：
[状态0: 1Hz]
↓ 按键
[状态1: 2Hz]
↓ 按键
[状态2: 4Hz]
↓ 按键
[状态0: 1Hz] ← 循环回来💻 代码实现（分3步写）
🔧 第1步：按键防抖动模块（key_debounce.v）
💡 这个模块的作用：把不干净的按键信号变干净，输出一个"按下脉冲"
verilog
// ===================================================================
// 文件名：key_debounce.v
// 功能：按键防抖动 - 消除物理抖动，输出干净的按键信号
// ===================================================================
module key_debounce(
input wire clk, // 时钟信号（50MHz）
input wire rst_n, // 复位按钮（按下=0）
input wire key_in, // 原始按键输入（按下=0，松开=1）
output reg key_press // 输出：按下瞬间的1个脉冲
);
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 📊 第1部分：定义参数（可以理解为"设置"）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
parameter CLK_FREQ = 50_000_000; // 时钟频率50MHz
parameter DEBOUNCE_TIME = 20; // 防抖时间20毫秒
// 计算需要计数多少次（20毫秒需要1,000,000次时钟）
parameter CNT_MAX = CLK_FREQ / 1000 * DEBOUNCE_TIME - 1;
// 结果：999,999（数到这个数就是20ms）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🧮 第2部分：声明需要用的"变量"（寄存器）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
reg [19:0] cnt; // 计数器（20位可以存到1,048,575）
reg key_sync_0; // 同步寄存器1
reg key_sync_1; // 同步寄存器2
reg key_state; // 当前稳定的按键状态
reg key_state_last; // 上一次的按键状态
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🔄 第3部分：按键信号同步（防止出错）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 为什么要同步？因为按键信号来自外部，可能不稳定
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
key_sync_0 <= 1'b1; // 复位时认为按键是松开的
key_sync_1 <= 1'b1;
end
else begin
key_sync_0 <= key_in; // 第1次采样
key_sync_1 <= key_sync_0; // 第2次采样（更稳定）
end
end
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// ⏱️ 第4部分：防抖动计数（等待20ms确认）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
cnt <= 20'd0;
key_state <= 1'b1; // 初始状态：松开
end
else begin
// 如果检测到信号变化了
if (key_sync_1 != key_state) begin
// 开始计数，看信号能否稳定20ms
if (cnt >= CNT_MAX) begin
cnt <= 20'd0; // 计数够了，重新开始
key_state <= key_sync_1; // 确认新状态
end
else begin
cnt <= cnt + 1'b1; // 继续数+1
end
end
else begin
// 信号没变化，计数器清零
cnt <= 20'd0;
end
end
end
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 📈 第5部分：检测"按下瞬间"（边沿检测）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
key_state_last <= 1'b1;
key_press <= 1'b0;
end
else begin
key_state_last <= key_state; // 记住上一次的状态
// 检测：上一次是1（松开），现在是0（按下）
if (key_state_last && !key_state) begin
key_press <= 1'b1; // 输出1个时钟周期的脉冲
end
else begin
key_press <= 1'b0; // 其他时候都是0
end
end
end
endmodule🎯 第2步：主控制模块（adjustable_blink_led.v）
💡 这个模块的作用：控制LED闪烁速度，调用上面的防抖动模块
verilog
// ===================================================================
// 文件名：adjustable_blink_led.v
// 功能：可调速LED闪烁器
// 按键切换速度：1Hz → 2Hz → 4Hz → 1Hz（循环）
// ===================================================================
module adjustable_blink_led(
input wire clk, // 时钟（50MHz）
input wire rst_n, // 复位按钮
input wire key_speed, // 速度切换按键（按下=0）
output reg led // LED输出
);
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 📊 第1部分：设置参数
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
parameter CLK_FREQ = 50_000_000; // 50MHz时钟
// 三种速度需要计数的次数（数到这个数LED翻转一次）
parameter CNT_1HZ = CLK_FREQ / 2 - 1; // 1Hz: 24,999,999
parameter CNT_2HZ = CLK_FREQ / 4 - 1; // 2Hz: 12,499,999
parameter CNT_4HZ = CLK_FREQ / 8 - 1; // 4Hz: 6,249,999
// 定义3个状态（用2位二进制表示：00, 01, 10）
parameter STATE_1HZ = 2'b00; // 状态0：1Hz模式
parameter STATE_2HZ = 2'b01; // 状态1：2Hz模式
parameter STATE_4HZ = 2'b10; // 状态2：4Hz模式
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🧮 第2部分：声明变量
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
wire key_press; // 按键按下脉冲（从防抖模块来）
reg [1:0] current_state; // 当前是哪个速度（00/01/10）
reg [24:0] cnt_max; // 当前速度的计数最大值
reg [24:0] led_cnt; // LED闪烁计数器
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🔘 第3部分：调用按键防抖动模块
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
key_debounce u_key_debounce(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.key_in (key_speed), // 原始按键信号
.key_press (key_press) // 输出：干净的按下脉冲
);
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// ⚙️ 第4部分：状态机（速度档位切换）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
current_state <= STATE_1HZ; // 复位后从1Hz开始
end
else if (key_press) begin // 检测到按键按下
// 根据当前状态，切换到下一个状态
case (current_state)
STATE_1HZ: current_state <= STATE_2HZ; // 1Hz→2Hz
STATE_2HZ: current_state <= STATE_4HZ; // 2Hz→4Hz
STATE_4HZ: current_state <= STATE_1HZ; // 4Hz→1Hz（循环）
default: current_state <= STATE_1HZ; // 出错保护
endcase
end
end
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🎯 第5部分：根据状态选择计数最大值
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
always @(*) begin // 组合逻辑（立即响应）
case (current_state)
STATE_1HZ: cnt_max = CNT_1HZ; // 1Hz用最大值
STATE_2HZ: cnt_max = CNT_2HZ; // 2Hz用中等值
STATE_4HZ: cnt_max = CNT_4HZ; // 4Hz用最小值
default: cnt_max = CNT_1HZ; // 默认1Hz
endcase
end
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 💡 第6部分：LED闪烁控制
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
led_cnt <= 25'd0;
led <= 1'b0;
end
else begin
// 计数器+1
if (led_cnt >= cnt_max) begin // 数到最大值了
led_cnt <= 25'd0; // 计数器清零
led <= ~led; // LED状态翻转（0变1，1变0）
end
else begin
led_cnt <= led_cnt + 1'b1; // 继续数+1
end
end
end
endmodule🧪 第3步：测试代码（tb_adjustable_blink_led.v）
💡 这个文件的作用：在电脑上模拟真实按键，验证代码是否正确
verilog
// ===================================================================
// 文件名：tb_adjustable_blink_led.v
// 功能：测试台 - 模拟按键操作，观察LED响应
// ===================================================================
`timescale 1ns/1ps // 时间单位：1纳秒
module tb_adjustable_blink_led;
// 声明信号
reg clk;
reg rst_n;
reg key_speed;
wire led;
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🔌 连接被测试的模块（加速参数，否则仿真太慢）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
adjustable_blink_led #(
.CLK_FREQ(1000) // 假设时钟只有1000Hz（加速1万倍！）
) uut (
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.key_speed (key_speed),
.led (led)
);
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// ⏰ 生成时钟信号（每10ns翻转一次 = 100MHz）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
initial clk = 0;
always #5 clk = ~clk; // 每5ns翻转（周期10ns）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🎬 测试流程（模拟真实操作）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
initial begin
// 在终端显示信息
$display("========================================");
$display(" 开始测试可调速LED");
$display("========================================");
// 1. 初始化
rst_n = 0; // 按下复位
key_speed = 1; // 按键松开（记住：松开=1）
// 2. 释放复位
#100; // 等待100ns
rst_n = 1; // 松开复位按钮
$display("[时间 %0t] 复位完成，进入1Hz模式", $time);
// 3. 观察1Hz模式运行
#1000_000; // 等待1毫秒（对应实际的0.5秒）
// 4. 第1次按键：切换到2Hz
key_speed = 0; // 按下按键
#200_000; // 保持按下200微秒（模拟真实按键）
key_speed = 1; // 松开按键
$display("[时间 %0t] 按键1次，切换到2Hz模式", $time);
#1000_000; // 观察2Hz运行
// 5. 第2次按键：切换到4Hz
key_speed = 0;
#200_000;
key_speed = 1;
$display("[时间 %0t] 按键2次，切换到4Hz模式", $time);
#1000_000; // 观察4Hz运行
// 6. 第3次按键：循环回1Hz
key_speed = 0;
#200_000;
key_speed = 1;
$display("[时间 %0t] 按键3次，回到1Hz模式", $time);
#1000_000;
$display("========================================");
$display(" 测试完成！");
$display("========================================");
$finish; // 结束仿真
end
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 📊 生成波形文件（可以用GTKWave查看）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
initial begin
$dumpfile("adjustable_blink_led.vcd");
$dumpvars(0, tb_adjustable_blink_led);
end
endmodule🎯 小测验：检查你学会了吗？
问题1：为什么要防抖动？
因为物理按键在按下的瞬间会产生抖动（像弹簧一样弹几下），如果不处理，FPGA会误认为按了好几次。防抖动就是等待20毫秒，确认信号稳定了再认可。
问题2：状态机是什么？
状态机就像一个有记忆的开关，能记住当前是第几个档位。比如：
- 状态0：1Hz模式
- 状态1：2Hz模式
- 状态2：4Hz模式
每按一次按键，就切换到下一个状态。
问题3：如果我想增加一个8Hz的档位，该怎么改？
需要修改3个地方：
verilog
// 1. 增加参数
parameter CNT_8HZ = CLK_FREQ / 16 - 1;
// 2. 增加状态
parameter STATE_8HZ = 2'b11;
// 3. 修改状态切换
STATE_4HZ: current_state <= STATE_8HZ;
STATE_8HZ: current_state <= STATE_1HZ;
// 4. 增加计数值选择
STATE_8HZ: cnt_max = CNT_8HZ;🌟 项目2：LED呼吸灯（像手机通知灯）
🤔 什么是PWM？（用风扇来理解）
📺 类比：电风扇的速度控制
传统方法（调电压）：
档位1：220V → 慢速
档位2：180V → 中速
档位3：100V → 快速PWM方法（快速开关）：
慢速：开0.3秒，关0.7秒，开0.3秒... (30%时间开)
中速：开0.5秒，关0.5秒，开0.5秒... (50%时间开)
快速：开0.8秒，关0.2秒，开0.8秒... (80%时间开)💡 关键点：开关速度要足够快（比如每秒100次），人眼看起来就是"连续变化"的亮度
🎨 PWM波形示意图
100%亮度（一直开）:
████████████████████████
75%亮度（开75%，关25%）:
███████████████████░░░░░
50%亮度（开关各一半）:
████████████░░░░░░░░░░░░
25%亮度（开25%，关75%）:
██████░░░░░░░░░░░░░░░░░░
0%亮度（一直关）:
░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░术语解释：
- 占空比 = 开的时间 ÷ 总时间
- PWM频率 = 每秒开关多少次（建议1000Hz以上）
🌊 呼吸效果的秘密
简单方法（线性变化）❌
亮度值: 0 → 50 → 100 → 150 → 200 → 255 → 200 → ...
↑ 每次固定增加50
效果： ╱‾‾‾╲ 看起来有点"硬"，不自然
╱ ╲
╱ ╲___高级方法（平方变化）✅
亮度值: 0 → 10 → 40 → 90 → 160 → 255 → 160 → ...
↑ 增量越来越大
效果： ╱‾╲ 像真正的呼吸，柔和自然
╱ ╲
╱ ╲___💡 为什么用平方？ 因为人眼对亮度的感知是非线性的（物理学知识：韦伯-费希纳定律）
💻 代码实现（分3个模块）
🔧 模块1：PWM波形生成器（pwm_generator.v）
💡 作用：根据亮度值生成PWM信号
verilog
// ===================================================================
// 文件名：pwm_generator.v
// 功能：生成PWM波形 - 把亮度值转换成开关信号
// ===================================================================
module pwm_generator(
input wire clk, // 时钟
input wire rst_n, // 复位
input wire [7:0] duty, // 亮度值（0~255）
output reg pwm_out // PWM输出
);
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 参数设置
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
parameter CLK_FREQ = 50_000_000; // 50MHz时钟
parameter PWM_FREQ = 1000; // PWM频率1kHz（推荐500Hz~5kHz）
// 计算一个PWM周期需要多少个时钟
// 50,000,000 ÷ 1000 = 50,000个时钟
parameter PWM_PERIOD = CLK_FREQ / PWM_FREQ - 1;
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 信号声明
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
reg [15:0] pwm_cnt; // PWM计数器（0~49999）
reg [7:0] duty_reg; // 锁存的亮度值
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// PWM生成逻辑（核心原理）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
//
// 工作原理（举例说明）：
// 假设PWM_PERIOD=9（实际是49999），duty=6（60%亮度）
//
// 时刻 0: cnt=0, (0>>8)=0 < 6 → 输出1
// 时刻 1: cnt=1, (1>>8)=0 < 6 → 输出1
// ...
// 时刻 5: cnt=5, (5>>8)=0 < 6 → 输出1
// 时刻 6: cnt=6, (6>>8)=0 < 6 → 输出1
// 时刻 7: cnt=7, (7>>8)=0 < 6 → 输出1
// 时刻 8: cnt=8, (8>>8)=0 < 6 → 输出1
// 时刻 9: cnt=9, (9>>8)=0 < 6 → 输出1
//
// 结果：前6个时钟输出1，后4个输出0 → 60%占空比
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
pwm_cnt <= 16'd0;
duty_reg <= 8'd0;
pwm_out <= 1'b0;
end
else begin
// 步骤1：计数器循环（0→49999→0...）
if (pwm_cnt >= PWM_PERIOD) begin
pwm_cnt <= 16'd0;
duty_reg <= duty; // 在新周期开始时更新亮度值
end
else begin
pwm_cnt <= pwm_cnt + 1'b1;
end
// 步骤2：比较产生PWM波形
// 把16位计数器映射到8位分辨率（右移8位）
if ((pwm_cnt >> 8) < duty_reg) begin
pwm_out <= 1'b1; // 计数值小于亮度值 → 输出高
end
else begin
pwm_out <= 1'b0; // 计数值大于等于亮度值 → 输出低
end
end
end
endmodule🧮 模块2：亮度校正模块（gamma_correction.v）
💡 作用：把线性亮度值转换成符合人眼感知的非线性值
verilog
// ===================================================================
// 文件名：gamma_correction.v
// 功能：平方律亮度校正 - 让呼吸效果更自然
// ===================================================================
module gamma_correction(
input wire [7:0] brightness_in, // 输入：线性亮度（0~255）
output reg [7:0] pwm_duty_out // 输出：校正后的PWM值
);
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 平方律公式：pwm = (brightness^2) / 255
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
//
// 例子：
// 输入64 → 64×64=4096 → 4096÷255=16 （25% → 6%）
// 输入128 → 128×128=16384 → 16384÷255=64 （50% → 25%）
// 输入192 → 192×192=36864 → 36864÷255=144 （75% → 56%）
// 输入255 → 255×255=65025 → 65025÷255=255 （100% → 100%）
//
// 这样低亮度时变化慢，高亮度时变化快，符合人眼特性
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
wire [15:0] square; // 平方结果（最大255×255=65025）
wire [23:0] compensated; // 补偿后的结果
// 步骤1：计算平方
assign square = brightness_in * brightness_in;
// 步骤2：除以255的优化算法
// 直接除法电路复杂，用乘法近似：
// x ÷ 255 ≈ (x × 257) ÷ 65536
// 除以65536就是右移16位，很简单！
assign compensated = square * 257;
// 步骤3：取高8位作为结果
always @(*) begin
pwm_duty_out = compensated[23:16];
end
endmodule🌊 模块3：呼吸灯主控制（breathing_led.v）
💡 作用：生成呼吸亮度曲线，组合所有模块
verilog
// ===================================================================
// 文件名：breathing_led.v
// 功能：LED呼吸灯主控制器
// ===================================================================
module breathing_led(
input wire clk, // 50MHz时钟
input wire rst_n, // 复位
output wire led // PWM输出到LED
);
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 📊 参数设置（可以调整这些值改变效果）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
parameter CLK_FREQ = 50_000_000; // 时钟频率
parameter BREATH_SPEED = 100_000; // 呼吸速度控制
// 计算完整呼吸周期：
// 一个周期 = BREATH_SPEED × 256 × 2 ÷ CLK_FREQ
// = 100,000 × 512 ÷ 50,000,000
// ≈ 1秒（变亮0.5秒+变暗0.5秒）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🧮 信号声明
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
reg [16:0] breath_cnt; // 呼吸速度计数器
reg [7:0] brightness; // 当前亮度值（0~255）
reg direction; // 方向标志（0=变亮，1=变暗）
wire [7:0] pwm_duty; // 校正后的PWM占空比
wire pwm_out; // PWM输出
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🌈 步骤1：生成呼吸亮度曲线（0→255→0循环）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
breath_cnt <= 17'd0;
brightness <= 8'd0;
direction <= 1'b0; // 初始为变亮
end
else begin
// 速度控制：每BREATH_SPEED个时钟更新一次亮度
if (breath_cnt >= BREATH_SPEED - 1) begin
breath_cnt <= 17'd0;
// 根据方向调整亮度
if (direction == 1'b0) begin // 正在变亮
if (brightness >= 8'd255) begin
direction <= 1'b1; // 到最亮了，开始变暗
brightness <= brightness - 1'b1;
end
else begin
brightness <= brightness + 1'b1; // 继续变亮+1
end
end
else begin // 正在变暗
if (brightness == 8'd0) begin
direction <= 1'b0; // 到最暗了，开始变亮
brightness <= brightness + 1'b1;
end
else begin
brightness <= brightness - 1'b1; // 继续变暗-1
end
end
end
else begin
breath_cnt <= breath_cnt + 1'b1; // 继续计数
end
end
end
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🎨 步骤2：调用亮度校正模块
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
gamma_correction u_gamma(
.brightness_in (brightness), // 输入：线性亮度
.pwm_duty_out (pwm_duty) // 输出：校正后的占空比
);
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// ⚡ 步骤3：调用PWM生成器
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
pwm_generator u_pwm(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.duty (pwm_duty), // 使用校正后的亮度
.pwm_out (pwm_out)
);
// 输出到LED引脚
assign led = pwm_out;
endmodule🧪 模块4：测试代码（tb_breathing_led.v）
💡 作用：在电脑上模拟运行，观察呼吸效果
verilog
// ===================================================================
// 文件名：tb_breathing_led.v
// 功能：呼吸灯测试台
// ===================================================================
`timescale 1ns/1ps
module tb_breathing_led;
// 信号声明
reg clk;
reg rst_n;
wire led;
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 连接被测模块（加速参数）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
breathing_led #(
.CLK_FREQ(10000), // 假设10kHz时钟（加速5000倍）
.BREATH_SPEED(100) // 快速呼吸（加速1000倍）
) uut (
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.led (led)
);
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 生成时钟（100ns周期=10MHz）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
initial clk = 0;
always #50 clk = ~clk; // 每50ns翻转一次
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 测试流程
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
initial begin
$display("========================================");
$display(" LED呼吸灯仿真测试");
$display("========================================");
// 1. 复位
rst_n = 0;
#1000;
rst_n = 1;
$display("[时间 %0t] 开始呼吸效果", $time);
// 2. 观察2个完整呼吸周期
#5_000_000; // 5毫秒（对应实际约5秒）
$display("[时间 %0t] 测试完成", $time);
$finish;
end
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 实时监测亮度值（每次更新时打印）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
always @(posedge clk) begin
if (uut.breath_cnt == 0) begin
$display("[时间 %0t] 亮度=%3d, PWM占空比=%3d, %s",
$time,
uut.brightness,
uut.pwm_duty,
uut.direction ? "变暗中..." : "变亮中...");
end
end
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 生成波形文件
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
initial begin
$dumpfile("breathing_led.vcd");
$dumpvars(0, tb_breathing_led);
end
endmodule🎯 小测验：检查你学会了吗？
问题1：PWM是什么？为什么能调亮度？
PWM是"脉冲宽度调制"的缩写，通过快速开关来控制平均功率。
原理：
- 开的时间长 → 平均亮度高
- 开的时间短 → 平均亮度低
- 只要开关够快（>100Hz），人眼看起来就是连续变化的亮度
就像电风扇：虽然是"开关开关..."，但转得快了看起来就是"慢速/快速"。
问题2：为什么要用平方校正？
因为人眼对亮度的感知是非线性的（物理学原理）：
- 如果直接用线性变化（0→50→100→150...），看起来变化不均匀
- 使用平方校正后（0→16→64→144...），低亮度时变化慢，高亮度时变化快
- 效果更自然，像真正的呼吸
公式：pwm_duty = (brightness × brightness) ÷ 255
问题3：如果我想让呼吸变慢，改哪个参数？
修改 BREATH_SPEED 参数，数值越大越慢：
verilog
// 原始（1秒一个周期）
parameter BREATH_SPEED = 100_000;
// 更慢（2秒一个周期）
parameter BREATH_SPEED = 200_000;
// 更快（0.5秒一个周期）
parameter BREATH_SPEED = 50_000;计算公式：周期(秒) = BREATH_SPEED × 512 ÷ 时钟频率
🔧 动手实践：改进呼吸灯
挑战1：增加"快呼吸"和"慢呼吸"模式 ⭐
目标：用按键切换两种速度
提示：
verilog
// 增加一个状态机
reg mode; // 0=慢速，1=快速
always @(posedge clk) begin
if (key_press) begin
mode <= ~mode; // 切换模式
end
end
// 根据模式选择速度
wire [16:0] speed;
assign speed = mode ? 50_000 : 200_000;挑战2：RGB彩虹呼吸灯 ⭐⭐
目标：LED颜色循环变化（红→绿→蓝→红...）
提示：
- 需要3个PWM模块（控制R/G/B三个LED）
- 三个颜色轮流呼吸，产生彩虹效果
verilog
// ===================================================================
// 文件名：rgb_breathing_led.v
// 功能：RGB三色呼吸灯 - 产生彩虹效果
// ===================================================================
module rgb_breathing_led(
input wire clk,
input wire rst_n,
output wire led_r, // 红色LED
output wire led_g, // 绿色LED
output wire led_b // 蓝色LED
);
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 参数设置
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
parameter CLK_FREQ = 50_000_000;
parameter BREATH_SPEED = 100_000;
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 信号声明
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
reg [16:0] breath_cnt;
reg [7:0] brightness;
reg direction;
reg [1:0] color_state; // 颜色状态：0=红，1=绿，2=蓝
wire [7:0] pwm_duty;
wire [7:0] duty_r, duty_g, duty_b;
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🌈 步骤1：呼吸亮度生成（跟之前一样）
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
breath_cnt <= 17'd0;
brightness <= 8'd0;
direction <= 1'b0;
color_state <= 2'd0;
end
else begin
if (breath_cnt >= BREATH_SPEED - 1) begin
breath_cnt <= 17'd0;
if (direction == 1'b0) begin
if (brightness >= 8'd255) begin
direction <= 1'b1;
brightness <= brightness - 1'b1;
// 到达最亮时切换颜色
if (color_state >= 2'd2) begin
color_state <= 2'd0; // 蓝→红
end
else begin
color_state <= color_state + 1'b1;
end
end
else begin
brightness <= brightness + 1'b1;
end
end
else begin
if (brightness == 8'd0) begin
direction <= 1'b0;
brightness <= brightness + 1'b1;
end
else begin
brightness <= brightness - 1'b1;
end
end
end
else begin
breath_cnt <= breath_cnt + 1'b1;
end
end
end
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🎨 步骤2：亮度校正
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
gamma_correction u_gamma(
.brightness_in (brightness),
.pwm_duty_out (pwm_duty)
);
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// 🌟 步骤3：根据颜色状态分配亮度
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
assign duty_r = (color_state == 2'd0) ? pwm_duty : 8'd0;
assign duty_g = (color_state == 2'd1) ? pwm_duty : 8'd0;
assign duty_b = (color_state == 2'd2) ? pwm_duty : 8'd0;
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
// ⚡ 步骤4：生成三路PWM
// ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
pwm_generator u_pwm_r(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.duty (duty_r),
.pwm_out (led_r)
);
pwm_generator u_pwm_g(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.duty (duty_g),
.pwm_out (led_g)
);
pwm_generator u_pwm_b(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.duty (duty_b),
.pwm_out (led_b)
);
endmodule挑战3：渐变彩虹效果（高级）⭐⭐⭐
目标：红色慢慢变成绿色，绿色慢慢变成蓝色...
关键思路：
不是突然切换颜色，而是两个颜色同时变化：
阶段1：红色从满到0，绿色从0到满（红→黄→绿）
阶段2：绿色从满到0，蓝色从0到满（绿→青→蓝）
阶段3：蓝色从满到0，红色从0到满（蓝→紫→红）代码提示（关键部分）：
verilog
// 使用8位相位控制颜色比例
reg [7:0] color_phase; // 0~255
// 计算三色占空比（简化算法）
always @(*) begin
case (color_state)
2'd0: begin // 红→绿
duty_r = 255 - color_phase;
duty_g = color_phase;
duty_b = 0;
end
2'd1: begin // 绿→蓝
duty_r = 0;
duty_g = 255 - color_phase;
duty_b = color_phase;
end
2'd2: begin // 蓝→红
duty_r = color_phase;
duty_g = 0;
duty_b = 255 - color_phase;
end
endcase
end
// 相位每次呼吸更新
always @(posedge clk) begin
if (breath_cnt == 0) begin
color_phase <= color_phase + 1;
end
end🎓 本节知识点总结
✅ 你学会了什么？
项目1 - 可调速LED：
- 按键防抖动原理（消除物理抖动）
- 边沿检测（只在按下瞬间触发）
- 状态机设计（记住当前档位）
- 模块化编程（主模块+子模块）
项目2 - 呼吸灯：
- PWM原理（脉冲宽度调制）
- 占空比的概念
- 非线性亮度校正（平方律）
- 多模块协同工作
🔍 常见问题排查
❌ 问题1：按键一按LED疯狂切换
原因 ：没做防抖动
解决 ：确保使用了 key_debounce 模块，等待20ms确认
❌ 问题2：LED呼吸不平滑，有明显跳变
原因1：PWM频率太低
verilog
// 错误（50Hz人眼可见闪烁）
parameter PWM_FREQ = 50;
// 正确（1kHz流畅）
parameter PWM_FREQ = 1000;原因2：呼吸速度太快
verilog
// 调慢速度
parameter BREATH_SPEED = 200_000; // 增大这个值❌ 问题3：LED始终很暗或不亮
检查点：
- 确认PWM模块有输出波形（用仿真查看）
- 检查亮度值是否正常更新
- 检查电路连接（限流电阻、正负极）
调试技巧：
verilog
// 在testbench中添加监测
always @(posedge clk) begin
if (uut.breath_cnt == 0) begin
$display("亮度=%d, PWM=%d", uut.brightness, uut.pwm_duty);
end
end📌 与真实硬件连接
🔌 典型电路（单色LED）
FPGA引脚 ─── 220Ω电阻 ─── LED正极
│
LED负极 ─── GND
注意：
- 电阻防止电流过大烧坏LED
- 电阻值 = (电源电压 - LED压降) ÷ 电流
例如：(3.3V - 2V) ÷ 0.01A = 130Ω（选用150Ω或220Ω）🌈 RGB LED连接（共阴极）
FPGA
│
┌───┼───┐
R G B (三个PWM信号)
│ │ │
└─┬─┴─┬─┘
│ │
RGB LED
│
GND
提示：如果是共阳极LED，需要反相PWM信号准备好迎接新挑战了吗？休息一下，下节课见！🚀
📚 附录：完整文件清单
项目1文件（可调速LED）
key_debounce.v- 按键防抖动模块adjustable_blink_led.v- 主控制模块tb_adjustable_blink_led.v- 测试文件
项目2文件（呼吸灯）
pwm_generator.v- PWM生成器gamma_correction.v- 亮度校正模块breathing_led.v- 呼吸灯主控tb_breathing_led.v- 测试文件
进阶文件（RGB彩虹灯）
rgb_breathing_led.v- RGB呼吸灯
💡 学习建议
- 先理解再动手：不要急着写代码，先用纸笔画出工作流程
- 善用仿真：每写完一个模块就测试，不要等全部写完
- 参数可调：多试试不同的参数值，观察效果变化
- 记录问题：遇到bug时记录下来，以后避免重复犯错
- 循序渐进：先做基础版，再尝试挑战项目
🎉 恭喜你完成第2关！
你已经掌握了：
- ✅ 状态机设计
- ✅ 按键输入处理
- ✅ PWM调光技术
- ✅ 模块化编程
如果你是路过的大佬，发现我哪里理解错了，请务必指出来！如果你也是正在入门的小伙伴，欢迎一起交流学习心得～