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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/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。
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