【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第十章PWM呼吸灯实验

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适用于板卡型号：

AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

实验Vivado工程为“pwm_led”。

本文主要讲解使用PWM控制LED，实现呼吸灯的效果。

1.实验原理

如下图所示，用一个N比特的计数器，最大值可以表示为2的N次方，最小值0，计数器以“period”为步进值累加，加到最大值后会溢出，进入下一个累加周期。当计数器值大于“duty”时，脉冲输出高，否则输出低，这样就可以完成图中红色线所示的脉冲占空比可调的脉冲输出，同时“period”可以调节脉冲频率，可以理解为计数器的步进值。

 

PWM脉宽调制示意图

 

不同的脉冲占空比的方波输出后加在LED上，LED灯就会显示不同的亮度，通过不断地调节方波的占空比，从而实现LED灯亮度的调节。

2. 实验设计

PWM模块设计非常简单，在上面的原理中已经讲到，这里不再说原理。

信号名称	方向	说明
clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
period	in	PWM脉宽周期（频率）控制。period = PWM输出频率 * (2 的N次方) / 系统时钟频率。显然N越大，频率精度越高。
duty	in	占空比控制，占空比 = duty / (2的N次方）* 100%

PWM模块（ax_pwm）端口

`timescale1ns/1psmodule ax_pwm#(
	parameter N =16//pwm bit width 
)(input         clk,input         rst,input[N -1:0]period,	//pwm step valueinput[N -1:0]duty,		//duty valueoutput        pwm_out 	//pwm output);reg[N -1:0] period_r;		//period registerreg[N -1:0] duty_r;		//duty registerreg[N -1:0] period_cnt;	//period counterreg pwm_r;assign pwm_out = pwm_r;always@(posedge clk orposedge rst)beginif(rst==1)begin
        period_r <={ N {1'b0}};
        duty_r <={ N {1'b0}};endelsebegin
        period_r <= period;
        duty_r   <= duty;endend//period counter, step is period valuealways@(posedge clk orposedge rst)beginif(rst==1)
        period_cnt <={ N {1'b0}};else
        period_cnt <= period_cnt + period_r;endalways@(posedge clk orposedge rst)beginif(rst==1)begin
        pwm_r <=1'b0;endelsebeginif(period_cnt >= duty_r)	//if period counter is bigger or equals to duty value, then set pwm value to high            pwm_r <=1'b1;else
            pwm_r <=1'b0;endend

那么如何实现呼吸灯的效果呢？我们知道呼吸灯效果是由暗不断的变亮，再由亮不断的变暗的过程，而亮暗效果是由占空比来调节的，因此我们主要来控制占空比，也就是控制duty的值。

在下面的测试代码中，通过设置period的值，设定PWM的频率为200Hz，PWM_PLUS状态即是增加duty值，如果增加到最大值，将pwm_flag置1，并开始将duty值减少，待减少到最小的值，则开始增加duty值，不断循环。其中PWM_GAP状态为调整间隔，时间为100us。

`timescale1ns/1psmodule pwm_test(input		clk,		//25MHzinput		rst_n,		//low active	output	led			//high-off, low-on);
					localparam CLK_FREQ =25;				//25MHzlocalparam US_COUNT = CLK_FREQ ;		//1 us counterlocalparam MS_COUNT = CLK_FREQ*1000;	//1 ms counterlocalparam DUTY_STEP	=32'd100000;	//duty steplocalparam DUTY_MIN_VALUE =32'h6fffffff;	//duty minimum valuelocalparam DUTY_MAX_VALUE =32'hffffffff;	//duty maximum value					localparam IDLE    		=0;	//IDLE statelocalparam PWM_PLUS  	=1;//PWM duty plus statelocalparam PWM_MINUS  	=2;//PWM duty minus statelocalparam PWM_GAP  	=3;//PWM duty adjustment gapwire		pwm_out;	//pwm outputreg[31:0]	period;		//pwm step valuereg[31:0]	duty;		//duty valuereg			pwm_flag ;	//duty value plus and minus flag, 0: plus; 1: minusreg[3:0]	state;reg[31:0]	timer;		//duty adjustment counterassign led =~pwm_out ;//led low activealways@(posedge clk ornegedge rst_n)begin
	if(rst_n ==1'b0)
	begin
		period 		<=32'd0;
		timer 		<=32'd0;
		duty 		<=32'd0;
		pwm_flag 	<=1'b0;
		state 		<= IDLE;
	end
	else
		case(state)
			IDLE:
			begin
				period 		<=32'd17179;//The pwm step value, pwm 200Hz(period = 200*2^32/50000000)				state  		<= PWM_PLUS;
				duty   		<= DUTY_MIN_VALUE;				
			end
			PWM_PLUS :
			begin
				if(duty > DUTY_MAX_VALUE - DUTY_STEP)	//if duty is bigger than DUTY MAX VALUE minus DUTY_STEP , begin to minus duty value				begin
					pwm_flag 	<=1'b1;
					duty   		<= duty - DUTY_STEP ;
				end
				else
				begin
					pwm_flag 	<=1'b0;					
					duty   		<= duty + DUTY_STEP ;	
				end
				
				state  		<= PWM_GAP ;
			end
			PWM_MINUS :
			begin
				if(duty < DUTY_MIN_VALUE + DUTY_STEP)	//if duty is little than DUTY MIN VALUE plus duty step, begin to add duty value				begin
					pwm_flag 	<=1'b0;
					duty   		<= duty + DUTY_STEP ;
				end
				else
				begin
					pwm_flag 	<=1'b1;
					duty   		<= duty - DUTY_STEP ;	
				end	
				state  		<= PWM_GAP ;
			end
			PWM_GAP:
			begin
				if(timer >= US_COUNT*100)//adjustment gap is 100us				begin
					if(pwm_flag)
						state <= PWM_MINUS ;
					else
						state <= PWM_PLUS ;
						
					timer <=32'd0;
				end
				else
				begin
					timer <= timer +32'd1;
				end
			end
			default:
			begin
				state <= IDLE;		
			end			
		endcaseend//Instantiate pwm moduleax_pwm#(.N(32))ax_pwm_m0(.clk      (clk),.rst      (~rst_n),.period   (period),.duty     (duty),.pwm_out  (pwm_out));
	endmodule

3. 下载验证

生成bitstream，并下载bit文件，可以看到PL LED1灯产生呼吸灯效果。PWM是比较常用的模块，比如风扇转速控制，电机转速控制等等。