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

FPGA技术专栏 来源:芯驿电子科技 作者:芯驿电子科技 2021-01-23 11:18 次阅读

原创声明:

本原创教程由芯驿电子科技(上海)有限公司(ALINX)创作,版权归本公司所有,如需转载,需授权并注明出处。

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。

pIYBAGAKLtSAOU6CAAANXx_V_tQ811.jpgPWM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/1psmoduleax_pwm#(
	parameterN=16//pwmbitwidth
)(inputclk,inputrst,input[N-1:0]period,	//pwmstepvalueinput[N-1:0]duty,		//dutyvalueoutputpwm_out	//pwmoutput);reg[N-1:0]period_r;		//periodregisterreg[N-1:0]duty_r;		//dutyregisterreg[N-1:0]period_cnt;	//periodcounterregpwm_r;assignpwm_out=pwm_r;always@(posedgeclkorposedgerst)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)	//ifperiodcounterisbiggerorequalstodutyvalue,thensetpwmvaluetohighpwm_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/1psmodulepwm_test(input		clk,		//25MHzinput		rst_n,		//lowactive	output	led			//high-off,low-on);
					localparamCLK_FREQ=25;				//25MHzlocalparamUS_COUNT=CLK_FREQ;		//1uscounterlocalparamMS_COUNT=CLK_FREQ*1000;	//1mscounterlocalparamDUTY_STEP	=32'd100000;	//dutysteplocalparamDUTY_MIN_VALUE=32'h6fffffff;	//dutyminimumvaluelocalparamDUTY_MAX_VALUE=32'hffffffff;	//dutymaximumvalue					localparamIDLE		=0;	//IDLEstatelocalparamPWM_PLUS	=1;//PWMdutyplusstatelocalparamPWM_MINUS	=2;//PWMdutyminusstatelocalparamPWM_GAP	=3;//PWMdutyadjustmentgapwire		pwm_out;	//pwmoutputreg[31:0]	period;		//pwmstepvaluereg[31:0]	duty;		//dutyvaluereg			pwm_flag;	//dutyvalueplusandminusflag,0:plus;1:minusreg[3:0]	state;reg[31:0]	timer;		//dutyadjustmentcounterassignled=~pwm_out;//ledlowactivealways@(posedgeclkornegedgerst_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)	//ifdutyisbiggerthanDUTYMAXVALUEminusDUTY_STEP,begintominusdutyvalue				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)//adjustmentgapis100us				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。

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
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