## 三色灯控制

### 1. 硬件平台
  - [[STEP-MXO2第二代]]

### 2. 设计要求
  - 掌握按键消抖和PWM的实现原理
  - 了解LED通过PWM调亮度的方法
  - 掌握三基色颜色合成的原理
  - 基于[[STEP-MXO2第二代]]平台实现三色灯的基本颜色合成及亮度控制

### 3. 工作原理
这里三色灯是在一个物理封装里面，有R（红）、G（绿）、B（兰）三种颜色的LED灯，这三个灯非常靠近，从远处看可以当作一个三色的发光点。

{{ :三基色合成.jpg |三基色合成}}

根据红、绿、蓝三色的不同组合可以合成不同颜色的光，例如红色和绿色组合可以产生黄色的光，绿色和蓝色组合可以产生青色的光，相同颜色不同亮度组合也会产生不同的光等等，如图。

本实验中我们实现三基色的固定组合，最终输出产生图中的红色、绿色、蓝色、黄色、青色、品红、白色7中颜色，然后根据PWM的原理调节LED灯颜色的亮度，使用PWM，给LED灯上施加数字信号，通过调整数字信号的占空比（调整占空比 = 调整有效值）来控制LED灯的亮度。

{{ :脉冲有效值.jpg |脉冲信号有效值}}

如上图所示，脉冲信号的周期为T，高电平脉冲宽度为t，占空比为t/T。为了实现PWM脉宽调制，我们需要保持周期T不变，调整高电平脉宽t的时间，从而改变占空比。

  * 当t = 0时，占空比为0%，因为我们的LED硬件为低电平点亮，所以为最亮的状态。
  * 当t = T时，占空比为100%，LED灯为最暗（熄灭）的状态。

我们使用按键控制t的变化，控制RGB合成色的亮度。

### 4. 硬件连接
三色灯是由三种颜色的LED集成的，硬件连接如下：

{{ ::rgb_led.jpg |RGB三色灯硬件连接}}

注意：R、G、B三种颜色的LED的限流电阻的阻值是不同的，主要是因为达到同样的亮度，每种颜色的LED灯所需要的电流是不同的。

小脚丫开发板上有两组RGB三色灯，在本实验中我们采用其中的一组做实验。

### 5. 代码设计

#### 5.1 设计文件

{{ :三色灯程序设计.jpg |三色灯程序设计}}

三色灯设计要求我们输出不同的颜色同时亮度可调，我们使用一个按键循环控制颜色，另外使用两个按键控制灯的亮度，接口定义如下：

<code verilog>
input clk_in,
input rst_n_in,
input key_color,
input key_up,
input key_down,
output led_R,
output led_G,
output led_B
</code>

有按键输入，需要按键消抖，具体原理请参考[[按键消抖]]实验，调用按键消抖的功能模块

<code verilog>
//Debounce for key
wire [2:0] key_pulse;
Debounce1 Debounce_uut
(
.clk(clk_in),
.rst_n(rst_n_in),
.key_n({key_color,key_up,key_down}),
.key_pulse(key_pulse)
); 

wire	color_pulse = key_pulse[2];
wire	up_pulse = key_pulse[1];
wire	down_pulse = key_pulse[0];
</code>

定义计数器cnt，每当按动按键key_color时，cnt在0~7之间循环计数，然后使用case语句，根据cnt不同的状态控制三色灯输出不同的颜色：

<code verilog>
always@(posedge color_pulse or negedge rst_n_in) begin
	if(!rst_n_in) begin
		cnt <= 3'd0;
		color <= 3'd0;
	end else begin
		cnt <= cnt + 3'd1;
		case(cnt)
			3'd0: color <= BLACK;
			3'd1: color <= RED;
			3'd2: color <= GREEN;
			3'd3: color <= BLUE;
			3'd4: color <= YELLOW;
			3'd5: color <= CYAN;
			3'd6: color <= MAGENTA;
			3'd7: color <= WHITE;
			default: color <= BLACK;
		endcase
	end
end
</code>

调用PWM功能模块，实现亮度的调节，具体原理见[[脉冲发生器]]和[[呼吸灯]]实验，为了保证三色灯在单色（红、绿、蓝）、双色合成（黄、青、品红）和三色合成（白）之间切换时亮度相同，单色切换为双色合成色时，需要将双色合成时每种基色的亮度减半，单色切换为三色合成色时需要将三色合成时每种基色亮度降为33%，亮度与占空比相关。例如红色时我们调节控制信号占空比为60%，输出黄色时其中的红色和绿色的控制信号占空比都为30%，输出白色时其中的红绿蓝三色的控制信号占空比都为20%，使用脉宽不变，改变脉冲周期的方法实现

<code verilog>
localparam	CYCLE_ONE = 5;
localparam	CYCLE_TWO = 10;
localparam	CYCLE_THREE = 15;

reg	[3:0] cycle;
//Control duty cycle
always @(color) begin 
	case(color)
		3'b110: cycle = CYCLE_ONE;
		3'b101: cycle = CYCLE_ONE;
		3'b011: cycle = CYCLE_ONE;
		3'b100: cycle = CYCLE_TWO;
		3'b010: cycle = CYCLE_TWO;
		3'b001: cycle = CYCLE_TWO;
		3'b000: cycle = CYCLE_THREE;
		3'b111: cycle = CYCLE_THREE;
		default: cycle = CYCLE_ONE;
	endcase
end 
</code>

我们采用产生PWM信号Lightness_out，然后根据PWM控制亮度，如下：

<code verilog>
assign led_R = Lightness_out? color[0]:1'b1;
assign led_G = Lightness_out? color[1]:1'b1;
assign led_B = Lightness_out? color[2]:1'b1;
</code>

引脚分配如下：

^ 管脚名称 | clk_in| rst_n_in| key_color| key_up| key_down| led_R| led_G| led_B|
^ FPGA管脚 | C1    | N14     | L14      | M13   | M14     | M2   | N2   | P2   |

### 6. 仿真结果

{{:红色.jpg?180 |红色}}

{{:绿色.jpg?180 |绿色}}

{{:蓝色.jpg?180 |蓝色}}

{{:黄色.jpg?180 |黄色}}

{{:青色.jpg?180 |青色}}

{{:品红.jpg?180 |品红}}

{{:白色.jpg?180|白色}}

### 7. 资源报告

^ 资源 | 数量  | 比例  | 说明  |
^ LUTs | 77   | 2%   |   |	
^ 寄存器 | 43    | 1% |   |
^ 存储器 | 0  | 0%   |    |
^ IO管脚   | 8 |   |    |
^ 时钟频率 | 12MHz |   |    |

### 8. 知识点
  * 颜色合成原理
  * PWM脉宽调节
  * 脉冲发生原理

### 9. 参考文档
  * [[按键消抖]]
  * [[脉冲发生器]]
  * {{:machxo2familydatasheet.pdf|Lattice MachXO2数据手册}}

### 10. 相关文档

^ **文件名称**  | **功能** |
^ **[[Color_led.v]]** | **三色灯，顶层模块** |
^ **[[Debounce1.v]]** | **按键消抖模块** |
^ **[[Lightness.v]]** | **PWM亮度调节模块** |