FPGA 第六組 Lab2 結報

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組員

姓名	學號
劉永勝	F94089032
蔡宗瑾	E14083137
李宇洋	E24099025

Color Code 解釋

Color code也可稱作hex triplet，而其是由光的三元色RGB(Red, Green, Blue)所組成，每個顏色大小8bit，範圍從0~255，一個顏色有256種組合，透過三元色各個顏色強度的不同可以得到

$256\ast 256\ast 256$種顏色組合。Color code就是將每個顏色透過對應的三元色強度編碼而成的code，例如紫色其對應的color code是7F1FFF，代表顏色強度(Red, Green, Blue)=(7F,1F,FF)時，人眼可辨識其顏色為紫色。

Problem 1 [影片連結]

本設計有兩個RGB燈光需要控制，一個是LED4，其為恆亮某種指定顏色；一個是LED5，其為以呼吸燈的方式亮某種指定顏色。

RGB LED4 (Static Lights)

• 要利用電路展現出三元色以外的顏色時，我們可以使用counter來模擬三元色顏色的強度，想當然而counter會數256次，如同顏色強度的範圍一樣，數到255時下個cycle重新循環，如以下:

// counter count from 0 ~ 255
always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) counter_256 <= 8'd0;
    else begin
        counter_256 <= counter_256 + 8'd1;
    end
end

R_time_in, G_time_in, B_time_in 分別代表RGB的顏色強度，當counter小於個別強度時，RGB都會亮，一旦counter超過其指定強度時，RGB根據其對應強度各自暗掉。

always @(*) begin
    rgb4[0] = (counter_256 < R_time_in) ? 1'b1 : 1'b0;
    rgb4[1] = (counter_256 < G_time_in) ? 1'b1 : 1'b0;
    rgb4[2] = (counter_256 < B_time_in) ? 1'b1 : 1'b0;
end

• 為什麼會恆亮呢?
  因為是利用FPGA的system clk來驅動counter_256，其頻率為125MHz，所以對於人眼來說當counter_256大於X_time_in時，LED對人眼而言並未真正熄滅，只是變弱而已，因此這就是現代電腦模擬現實生活中顏色的方式。

RGB LED5 (Breathing Lights)

相較於上面直接利用system clk驅動counter_256來顯示顏色，我們呼吸燈採用降頻的方式來呈現，使得人眼可以辨認出呼吸的效果。
透過一個16-bit counter來實現降頻，其範圍是0~0xffff，會根據counter_256每當數到255時才加一，兩種counter如以下:

// count 0 ~ 255
always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) counter_256 <= 8'd0;
    else begin
        counter_256 <= counter_256 + 8'd1;
    end
end

// count 0 ~ 16777215
always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) counter_16777215 <= 16'd0;
    else begin
        if (counter_256 == 8'd255) counter_16777215 <= counter_16777215 + 16'd1;
        else counter_16777215 <= counter_16777215;
    end
end

我們呼吸燈的實現方法是將rgb三個PWM 等比例增加到我們想要的顏色，達到亮度遞增的效果。之後再等比例遞減，達到亮度遞減的效果。

• 如何遞增、遞減?
  本題目要求暗 -> 亮 ->暗至少要32個phase，則可切成暗->亮16 phase、亮->暗16 phase。依照等比例遞增、遞減的方式，將該顏色對應的hex triplet除以16，可得到每個phase需要增加、減少的數值，如下方例子:

  • 紫燈hex triplet對應的rgb PWM分別為7F_1F_FF:
    ( r ) red PWM = 8'h7F
    ( g ) green PWM = 8'h1F
    ( b ) blue PWM = 8'hFF

  • rgb最大值除以16，分成16個phase:
    ( r ) 8'h7F / 16 = 8'h7F >> 4 = 4'h7 =

    $\mathrm{\Delta }$ R
    ( g ) 8'h1F / 16 = 8'h1F >> 4 = 4'h1 =
    $\mathrm{\Delta }$ G
    ( b ) 8'hFF / 16 = 8'hFF >> 4 = 4'hF =
    $\mathrm{\Delta }$ B
    則上方計算出的數值，為每個phase PWM需要增加的量。因此16個phase即可接進數值，因為shift bit的關係，會有餘數問題。

  • rgb除以16的餘數:
    ( r ) 8'h7F % 16 = 4'hF = mod R
    ( g ) 8'h1F % 16 = 4'hF = mod G
    ( b ) 8'hFF % 16 = 4'hF = mod B

  根據上方的計算可得下方式子:
  ( r )

  $\mathrm{\Delta }$ R * 16 + mod R = 8'h7F
  ( g )
  $\mathrm{\Delta }$ G * 16 + mod G = 8'h1F
  ( b )
  $\mathrm{\Delta }$ B * 16 + mod B = 8'hFF
  16個phase遞增、遞減，再加一個phase處理餘數。

• Dynamic boundary
  X_breathing不是像上半部的X_time_in是固定的，它是動態改變的邊界，也就是因為這個動態邊界呈現了呼吸燈的效果，讓原先static lights固定的邊界為hex code，在這裡的呼吸燈成為漸漸遞增又遞減的邊界。

// breathing
always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst) begin
        R_breathing <= 8'd0;
        G_breathing <= 8'd0;
        B_breathing <= 8'd0;
    end
    else if (counter_16777215 == 16'hffff && counter_256 == 8'd0) begin
        case (mode)
            INCREASING: begin
                R_breathing <= R_breathing + R_inc;
                G_breathing <= G_breathing + G_inc;
                B_breathing <= B_breathing + B_inc;
            end
            ADD_LAST: begin
                R_breathing <= R_breathing + R_mod;
                G_breathing <= G_breathing + G_mod;
                B_breathing <= B_breathing + B_mod;
            end
            DECREASING: begin
                R_breathing <= R_breathing - R_inc;
                G_breathing <= G_breathing - G_inc;
                B_breathing <= B_breathing - B_inc;
            end
            SUB_LAST: begin
                R_breathing <= R_breathing - R_mod;
                G_breathing <= G_breathing - G_mod;
                B_breathing <= B_breathing - B_mod;
            end
        endcase
    end
    else begin
        R_breathing <= R_breathing;
        G_breathing <= G_breathing;
        B_breathing <= B_breathing;
    end
end

綜觀counter以及breathing的程式碼，可得知X_breathing改變的頻率是

$125MHz/2^{8+16}=7.45Hz$，X_breathing會一路從0加到相對應的hex code(最大值)，再從最大值遞減回0。

• FSM 說明
  根據上方說明可製作出下方的FSM。
  

state	說明
INCREASING	rgb PWM從0開始逐步遞增
ADD_LAST	加上餘數
DECREASING	rgb PWM從最大值逐步遞減
SUB_LAST	減去餘數

• 分割模塊
  這個實作分成兩個模塊，分別為PWM_Decoder和Breath_LED個別功能如下:

  1. PWM_Decoder
     輸入訊號switch，決定輸出顏色的PWM，此PWM輸出訊號會讓Breath_LED接收，為呼吸燈的最大亮度。下表為對應顏色:

     switch	color
     00	7F_1F_FF - Purple Light
     00	00_FF_FF - Cyan Light
     00	FF_FF_00 - Yellow Light
     00	FF_00_FF - Crimson Light

  2. Breath_LED
     接收PWM_Decoder輸出的顏色PWM最大值，執行上方FSM之功能，達到呼吸燈PWM的遞增遞減

• Block Design
  

  

Problem 2 [影片連結]

Problem 1是手動變換顏色，而Problem 2是自動變換顏色。要實現此功能則模塊PWM_Decoder不能從板子上的switch接收訊號，也就是pynq-z2_v1.0.xdc不能指名switch腳位。而是要系統自行產生switch訊號切換顏色。

• 各模塊功能

  1. PWM_Decoder
     與problem 1功能相同，只是顏色從4個變成6個，則輸入switch訊號線從2 bit變成3 bit。

  2. Breath_LED
     內部狀態機與problem 1相同，但當state從INCREASIN跑到SUB_LAST時，完成一次暗 -> 亮 ->暗，輸出switch訊號給PWM_Decoder，則PWM_Decoder根據switch的數值，給出對應顏色。簡單來說，FSM跑完一圈，則輸出訊號switch加一，加到5之後歸零。

     switch顏色對應如下:

     switch	color
     0	FF_00_00 - Red Light
     1	FF_61_00 - Orange Light
     2	FF_FF_00 - Yellow Light
     3	00_FF_00 - Green Light
     4	00_00_FF - Blue Light
     5	7F_1F_FF - Purple Light
     default	FF_00_00 - Red Light

• Block Design