使用PWM控制LED实现呼吸灯的效果

作者：ALINX

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。

PWM模块（ax_pwm）端口

`timescale1ns/1ps

module ax_pwm

#（

parameter N =16//pwm bit width

）

（

input clk，

input rst，

input［N -1:0］period， //pwm step value

input［N -1:0］duty， //duty value

output pwm_out //pwm output

）;

reg［N -1:0］ period_r; //period register

reg［N -1:0］ duty_r; //duty register

reg［N -1:0］ period_cnt; //period counter

reg pwm_r;

assign pwm_out = pwm_r;

always@（posedge clk orposedge rst）

begin

if（rst==1）

begin

period_r duty_r end

else

begin

period_r duty_r end

end

//period counter， step is period value

always@（posedge clk orposedge rst）

begin

if（rst==1）

period_cnt else

period_cnt end

always@（posedge clk orposedge rst）

begin

if（rst==1）

begin

pwm_r end

else

begin

if（period_cnt 》= duty_r） //if period counter is bigger or equals to duty value， then set pwm value to high

pwm_r else

pwm_r end

end

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/1ps

module pwm_test（

input clk， //25MHz

input rst_n， //low active

output led //high-off， low-on

）;

localparam CLK_FREQ =25; //25MHz

localparam US_COUNT = CLK_FREQ ; //1 us counter

localparam MS_COUNT = CLK_FREQ*1000; //1 ms counter

localparam DUTY_STEP =32‘d100000; //duty step

localparam DUTY_MIN_VALUE =32’h6fffffff; //duty minimum value

localparam DUTY_MAX_VALUE =32‘hffffffff; //duty maximum value

localparam IDLE =0; //IDLE state

localparam PWM_PLUS =1;//PWM duty plus state

localparam PWM_MINUS =2;//PWM duty minus state

localparam PWM_GAP =3;//PWM duty adjustment gap

wire pwm_out; //pwm output

reg［31:0］ period; //pwm step value

reg［31:0］ duty; //duty value

reg pwm_flag ; //duty value plus and minus flag， 0： plus; 1： minus

reg［3:0］ state;

reg［31:0］ timer; //duty adjustment counter

assign led =~pwm_out ;//led low active

always@（posedge clk ornegedge rst_n）

begin

if（rst_n ==1’b0）

begin

period timer duty pwm_flag state end

else

case（state）

IDLE：

begin

period state duty 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 duty end

else

begin

pwm_flag duty end

state end

PWM_MINUS ：

begin

if（duty begin

pwm_flag duty end

else

begin

pwm_flag duty end

state end

PWM_GAP：

begin

if（timer 》= US_COUNT*100）//adjustment gap is 100us

begin

if（pwm_flag）

state else

state

timer end

else

begin

timer end

end

default：

begin

state end

endcase

end

//Instantiate pwm module

ax_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。

审核编辑：何安