第四章 PWM呼吸灯
1 项目背景
随着LED在照明领域的不断发展，其控制方式也越来越多样化，形成不同的视觉效果。相比较的只具备“开”“关”功能的传统LED照明，能够实现从0到100%光的亮度的调节的LED灯，在家装灯饰、舞美灯光等领域的需求更为突出。
呼吸灯是指灯光由高到暗的逐渐变化，感觉好像是人在呼吸。所谓的“呼吸灯”就是根据人的呼吸频率通过光的强弱表现出来：呼吸分为两个过程，一个是“呼”的过程，一个是“吸”的过程。其广泛应用于手机之上，并成为各大品牌手机的卖点之一。如果你的手机里面有未处理的通知，比如说未接来电，未查收的短信等，呼吸灯就会由暗到亮的变化，像呼吸一样那么有节奏，起到一个通知提醒的作用。
呼吸灯的设计方法有很多，有的是用单片机产生PWM（脉冲宽度调制）来驱动LED，也有采用555定时器来做。电路利用电容充放电原理，较为简单。
脉宽调制（Pulse Width Modelation，PWM），是利用微处理器/FPGA的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换等许多领域。PWM数字信号从处理器到被控系统都是数字形式，无需数模转换。
航模中的控制信号大多是PWM信号，比如FUTABA,JR等舵机的控制都采用PWM方式。
发射机给接收机一串脉冲，比如基础脉宽是100ms，那么发射机的脉宽变大时，比如增大为150ms，那么接收机就控制舵机正向旋转，发射的脉宽减小时，比如减小为50ms，那么接收机就控制舵机逆向旋转。
PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
通俗来说，PWM就是连续的、一定比例占空比的脉冲信号。通过控制占空比来实现不同的控制。简单地，我们可以认为PWM就是一种方波。如图所示：
图 176
PWM波形图
PWM实现呼吸灯的原理
当输出为低电平时控制LED灯，当输出低电平时，灯亮，当输出高电平时，灯灭。如果一直输出低电平，则灯一直亮；如果一直输出高电平，则灯一直暗；如果50%时间输出低电平，50%时间输出高电平，则灯会暗一些。所以占空比会影响到LED灯的明暗程度。
另一个影响LED亮度的是PWM波形的周期。试想一下，如果PWM的周期是2秒，占空比为50%，那我们看到的是将是LED暗1秒、亮1秒，而不是半亮的状态。只是我们提高PWM的周期，才能看到半亮的状态。根据经验值，PWM的周期是10毫秒为宜。
也就是说，控制高低电平的时间，也就是占空比（高电平占周期的百分比，例如上面是60%），以及控制PWM的周期，就可以控制灯的亮暗程度。
2 设计目标
本工程实现一个控制LED灯亮度的功能，具体要求：上电后，LED灯显示接近于灭，然后在10秒内，每隔2秒，亮度变化一次，逐渐变亮。在下一个10秒内，每隔2秒，亮度变化一次，逐渐变暗。总而言之，就是20秒一次循环，每隔2秒变化一次，前10秒亮度增大，后10秒，亮度减小。
开发板的硬件原理图
图 177
上板效果图如下图所示。
图 178
3 设计实现
3.1 顶层信号
新建目录：D:\mdy_book\pwmled。在该目录中，新建一个名为pwmled.v的文件，并用GVIM打开，开始编写代码。
我们先分析一下板子上的LED灯。板子上的每个LED灯，都有一个信号与之相连，这个信号一端连着LED，另一端连着FPGA。FPGA控制这根线，就可以控制LED灯的亮、灭以及亮度。当FPGA将这根线输出为0时，LED要亮；当FPGA将这根线输出为1时，这个LED灯就灭；FPGA通过输出一个PWM波形，并且控制占空比，就可以实现LED的亮度控制。
下面表格表示了硬件电路图的连接关系。
器件
原理图信号
FPGA管脚
FPGA工程信号
LED6
LED1_NET
AA4
led
X1
SYS_CLK
G1
clk
K1
SYS_RST
AB12
rst_n
综上所述，我们这个工程需要三个信号，时钟clk，复位rst_n和输出信号led。将module的名称定义为pwmled。为此，代码如下：
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module pwmled(
clk ,
rst_n ,
led
);
其中clk、rst_n是输入信号，led是输出信号，并且三个信号都是1比特的，根据这些信息，我们补充输入输出端口定义。代码如下：
1
2
3
input clk ;
input rst_n ;
output led ;
3.2 信号设计
我们首先分析一下需求：上电后，LED灯显示接近于灭，然后在10秒内，每隔2秒，亮度变化一次，逐渐变亮。在下一个10秒内，每隔2秒，亮度变化一次，逐渐变暗。总而言之，就是20秒一次循环，每隔2秒变化一次，前10秒亮度增大，后10秒，亮度减小。
另外，根据PWM的原理，通过控制PWM的占空比就可以实现亮度控制。占空比越大（高电平时间越长，低电平时间越低），灯的亮度越暗。
根据这个原理，可以翻译成：FPGA控制led信号，输出PWM波形，并调整占空比。调整方法：20秒一次循环，每隔2秒变化led的占空比一次，前10秒占空比变大，后10秒，占空比变小。
由于需求没有说明具体的占空比是多少，那我们就自行制定一下占空比，读者可以在上板时，根据视觉效果，调整占空比的大小。自行制定的占空比如下：
第1个2秒内，占空比为95%；
第2个2秒内，占空比为85%；
第3个2秒内，占空比为70%；
第4个2秒内，占空比为50%；
第5个2秒内，占空比为20%；
第6个2秒内，占空比为20%；
第7个2秒内，占空比为50%；
第8个2秒内，占空比为70%；
第9个2秒内，占空比为85%；
第10个2秒内，占空比为95%。
然后按上面的过程循环。
PWM的波的周期，根据经验值可以设为10毫秒。
根据上述分析，这个led信号的变化情况如下：
图 179
第1次持续时间2秒，每10毫秒输出一个PWM波（9.5毫秒时变低）；
第2次持续时间2秒，每10毫秒输出一个PWM波（8.5毫秒时变低）；
第3次持续时间2秒，每10毫秒输出一个PWM波（7.0毫秒时变低）；
第4次持续时间2秒，每10毫秒输出一个PWM波（5.0毫秒时变低）；
第5次持续时间2秒，每10毫秒输出一个PWM波（2.0毫秒时变低）；
第6次持续时间2秒，每10毫秒输出一个PWM波（2.0毫秒时变低）；
第7次持续时间2秒，每10毫秒输出一个PWM波（5.0毫秒时变低）；
第8次持续时间2秒，每10毫秒输出一个PWM波（7.0毫秒时变低）；
第9次持续时间2秒，每10毫秒输出一个PWM波（8.5毫秒时变低）；
第10次持续时间2秒，每10毫秒输出一个PWM波（9.5毫秒时变低）；
从中我们可以得到有以下几个计数器：计数10毫秒时间的计数器；计数2秒时间的计数器以及计数第1~10次的计数器。
计数10毫秒的计数器的设计思路。本工程的工作时钟是50MHz，即周期为20ns，计数器计数到10_000_000/20=500_000个，我们就能知道10毫秒时间到了。另外，由于该计数器是不停地计数，永远不停止的，可以认为加1条件一直有效，可写成：assign add_cnt==1。该计数器一共要数500_000个。综上所述，该计数器的代码如下。
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always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt0 <= 0;
end
else if(add_cnt0)begin
if(end_cnt0)
cnt0 <= 0;
else
cnt0 <= cnt0 + 1;
end
end
assign add_cnt0 = 1;
assign end_cnt0 = add_cnt0 && cnt0== 500_000-1;
2秒时间计数器的设计思路。本工程的工作时钟是50MHz，即周期为20ns，计数器计数到2_000_000_000/20=100_000_000个，我们就能知道2秒时间到了。这是一种设计思路。但我们也可以以10毫秒为基础，通过数有2_000_000_000/10_000_000=200个10毫秒时间，就能知道2秒时间到了。所以该计数器的加1条件是end_cnt0，一共有数200个。综上所述，该计数器的代码如下。
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always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt1 <= 0;
end
else if(add_cnt1)begin
if(end_cnt1)
cnt1 <= 0;
else
cnt1 <= cnt1 + 1;
end
end
assign add_cnt1 = end_cnt0;
assign end_cnt1 = add_cnt1 && cnt1==200-1 ;
第1~第10次计数器的设计思路。该计数器是每隔2秒就会加1，也就是end_cnt1的时候，就会加1；该计数器一共要数10个。综上所述，该计数器的代码如下。
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always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt2 <= 0;
end
else if(add_cnt2)begin
if(end_cnt2)
cnt2 <= 0;
else
cnt2 <= cnt2 + 1;
end
end
assign add_cnt2 = end_cnt1;
assign end_cnt2 = add_cnt2 && cnt2==10-1 ;
有了这三个计数器，我们来思考输出信号led的变化。概括起来，led有两个变化点：变0和变1。变0的原因都是在10毫秒计数器数到一定个数时变0，但这个计数是会变的，那么我们可以假设为x，也就是数到x个时，led变0。变1则是由于10毫秒计数时间到了，也就是end_cnt0时，led变1 。综上所述，led信号的代码如下：
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always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
led <= 1;
end
else if(add_cnt0 && cnt0==x-1) begin
led <= 0;
end
else if(end_cnt0)begin
led <= 1;
end
end
最后我们再来思考变量x。x是led变0的时间。这个时间在不同的次数时，值会不相同。例如第1次是数到9.5毫秒（cnt0数到475_000个），第2次则是在8.5毫秒（cnt0数到425_000个）。也就是说x的值与第几次有关，即与cnt2有关。根据题意，可知x的代码如下：
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always @(*)begin
if(cnt2==0)begin
x = 475_000 ;
end
else if(cnt2==1)begin
x = 425_000 ;
end
else if(cnt2==2)begin
x = 350_000 ;
end
else if(cnt2==3)begin
x = 250_000 ;
end
else if(cnt2==4)begin
x = 100_000 ;
end
else if(cnt2==5)begin
x = 100_000 ;
end
else if(cnt2==6)begin
x = 250_000 ;
end
else if(cnt2==7)begin
x = 350_000 ;
end
else if(cnt2==8)begin
x = 425_000 ;
end
else begin
x = 475_000 ;
end
end
此次，主体程序已经完成。接下来是将module补充完整。
3.3 信号定义
接下来定义信号类型。
cnt0是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt0计数的最大值为500_000，需要用19根线表示，即位宽是19位。因此代码如下：
1
reg[18:0] cnt0 ;
add_cnt0和end_cnt0都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1个线表示即可。因此代码如下：
1
2
wire add_cnt0;
wire end_cnt0;
cnt1是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt1计数的最大值为200，需要用8根线表示，即位宽是8位。因此代码如下：
1
reg[7:0] cnt1 ;
add_cnt1和end_cnt1都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1根线表示即可。因此代码如下：
1
2
wire add_cnt1;
wire end_cnt1;
cnt2是用always产生的信号，因此类型为reg。cnt2计数的最大值为9，需要用4根线表示，即位宽是4位。因此代码如下：
1
reg[ 3:0] cnt2 ;
add_cnt2和end_cnt2都是用assign方式设计的，因此类型为wire。并且其值是0或者1，1根线表示即可。因此代码如下：
1
2
wire add_cnt2;
wire end_cnt2;
led是用always方式设计的，因此类型为reg。并且其值是0或者1，1根线表示即可。因此代码如下：
1
reg led ;
x是用always方式设计的，因此类型为reg。并且其值是最大是475_000，需要19根线表示即可。因此代码如下：
1
reg[18:0] x;
至此，整个代码的设计工作已经完成。下一步是新建工程和上板查看现象。 |
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