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

作者：ALINX

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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。

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。