FPGA项目三：PWM呼吸灯

文章目录

• • 第一节 项目背景
  • 第二节 设计目标
  • 第三节 设计实现
  • • 3.1顶层设计
    • 3.2 信 设计
    • 3.3 信 定义
  • 第四节 综合和上板
  • • 4.1 新建工程
    • 4.2 综合
    • 4.3 配置管脚
    • 4.4 再次综合
    • 4.5 连接开发板
    • 4.6 上板

第一节 项目背景

随着照明领域需求的不断扩大，LED 技术也在迅速发展，其控制方式也越来越多样化，可以产生多样的视觉效果。相较于只具备“开”“关”功能的传统 LED 照明，能够实现从 0 到 100%灯光亮度调节的 LED 灯在家装灯饰、舞美灯光等领域的需求更为突出。这种灯的灯光亮度可以通过调节控制由高到低的逐渐变化，像是人在呼吸一般，因而被称作呼吸灯。呼吸分为两个过程，一个是“呼”，一个是“吸”。而所谓的“呼吸灯”就是将人的呼吸频率通过光的强弱表现出来，其被广泛应用于手机上，并成为各大品牌手机的卖点之一。当手机里有未处理的通知，比如未接来电或未查收的短信时，呼吸灯就会像呼吸一样有节奏的由暗到亮不断变化，从而起到通知提醒的作用。
呼吸灯的设计方法有很多，例如采用 555 定时器的设计方案，电路利用电容充放电的原理较为简单，也可以用单片机产生脉冲宽度调制来驱动 LED。本案例中采用 PWM 驱动 LED 灯的方法来进行设计。

脉冲宽度调制技术（Pulse Width Modelation，PWM）是利用微处理器/FPGA 的数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，其广泛应用于测量、通信、功率控制与变换等众多领域。PWM 数字信 从处理器到被控系统都采用数字形式，无需进行数模转换。航模中的控制信 大多是 PWM 信 ，比如 FUTABA、JR 等舵机的控制都采用 PWM 方式，发射机给接收机输送脉冲后接收机会控制舵机进行旋转。举个例子，假定基础脉宽是 100ms，当发射机的脉宽增大（如增加到 150ms）时接收机控制舵机进行正向旋转；反之发射机的脉宽减小（如减小到 50ms）时，接收机控制舵机进行逆向旋转。
PWM 是一种对模拟信 电平进行数字编码的方法。通过使用高分辨率计数器对方波的占空比进行调制，从而对一个具体模拟信 的电平进行编码。由于在给定的任何时刻，满幅值的直流供电只存在有（ON）和无（OFF）两种状态，因此 PWM 信 仍然是数字信 。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。直流供电被加到负载上的时候为“通”，负载供电被断开的时候为“断”。只要有足够的带宽，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。

通俗来说，PWM 是连续的、具有一定比例占空比的脉冲信 ，可以通过控制占空比来对其进行改变。简单来说，可以认为 PWM 就是一种方波，如图 3.3-1 所示。

总结：
PWM就是在合适的信 频率下，通过一个周期里改变占空比的方式来改变输出的有效电压
PWM频率越大，相应越快，了解 PWM 之后。

下面来学习一下 PWM 实现呼吸灯的原理：
信 的高低电平变化可以控制 LED 灯的明灭状态。当输出信 为低电平时 LED 灯亮，反之，当输出信 为高电平时 LED 灯灭。当输出电平持续为低，则灯一直保持亮的状态；而当输出电平持续为高，则灯一直保持灭的状态。如果输出信 50%为低电平，50%为高电平，在 PWM 适宜的周期下LED 灯光会变暗，这也说明占空比对 LED 灯的明暗程度会产生影响。
另一个影响 LED 亮度的因素则是 PWM 波形的周期。试想一下，如果 PWM 的周期是 2 秒，占空比为 50%，此时观察到 LED 的状态是暗 1 秒、亮 1 秒，而不是半亮的状态。只有缩短 PWM 的期，才能看到 LED 半亮的状态。根据经验可知，如果要达到改变亮度的效果PWM 的周期以 10 毫秒为宜。
综上所述，通过控制高低电平的时间，即占空比（高电平占周期的百分比），以及控制 PWM 的周期，就可以改变灯的明暗程度。

如何实现PWM信 输出/strong>
那么如果要实现PWM信 输出如何输出呢/p>

1）可以直接通过芯片内部模块输出PWM信 ，前提是这个I/O口要有集成模块，只需要简单几步操作即可，这种自带有PWM输出的功能模块在程序设计更简便，同时数据更精确。如下图，一般的IC口都会标明这个是否是PWM口；

本设计的上板效果如图 3.3-3 所示

综上所述，本工程一共需要三个信 ，时钟 clk，复位 rst_n 和输出信 led。将 module 的名称
定义为 ，在顶层信 代码中需要将与外部相连接的输入/输出信 列出，从而实现
信 与管脚的连接，其具体代码如下：

3.2 信 设计

在进行信 设计之前先按照至简设计法的思路来进行架构设计。回顾一下设计需求：通电后，LED 灯显示接近于灭，在之后的 10 秒内，每隔 2 秒钟亮度变化一次，逐渐变亮；在下一个 10 秒内，依旧是每隔 2 秒亮度变化一次，但是会逐渐变暗。可以将其总结为：本设计以 20 秒为一次循环，每隔 2 秒变化一次，前 10 秒亮度逐渐增大，后 10 秒亮度逐渐减小。

前文中详细的介绍过 PWM 的原理，可以得知通过控制 PWM 的占空比可以实现 LED 灯的亮度控制。PWM 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。可以这样理解：FPGA 控制 led 信 的输出，可以输出为 PWM 波形并通过调整占比来达到改变 LED 灯亮度的效果。

根据设计目标可以得出设计方案：每 20 秒一次循环，每隔 2 秒改变一次 led 的占空比，前 10 秒占空比逐渐变小，LED 灯逐渐变亮，后 10 秒占空比逐渐变大，LED 灯也随之逐渐变暗。由于设计目标只对亮度改变进行要求，并没有说明具体的占空比是多少，因此本书自行设定占空比。可以在上板时根据观察到的视觉效果，调整占空比的大小。本书设定占空比如下：

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%。
之后以此为规律循环往复。

经过多次的实验和测试后发现：PWM 每 10 毫秒刷新一次，LED 灯显示的亮度效果是最好的。因此根据经验值，本书将 PWM 波周期设为 10 毫秒。建议初学者按照书中提供经验值来进行操作，在完全掌握了设计原理可以独立完成设计后，可以再进行不同波型以及不同占空比的尝试。

根据前文分析，得到 led 信 的变化波形图如下图所示。

为什么Led的变零条件是br> 在这个地方add_cnt0始终等于1 。写不写是无所谓的，但是写了绝对不会错。
看前面内容：
计数器规则 3：只有在加 1 条件有效时，才能表示计数器的计数值。
假定加 1 条件为 add_cnt，计数器当前值为 cnt，则
add_cnt&&cntx-1 表示计数器计数到 x 个。
cntx-1 不能表示计数器计数到 x 个。
计数器是从 0 开始计数的，因此计数器的默认值即初始值是 0。那么当计数器的值为 0 时要如何区分这是开始计数的第 1 个值，还是并未计数的默认值呢br> 这种情况下可以通过加 1 条件来进行区分。当加 1 条件无效时，计数器值为 0 表示未开始计数，此时的 0 为默认值；当加 1 条件有效时，计数器值为 0 表示计的第 1 个数。同理，当 cntx-1，不能表示计数到 x；只有当 cntx-1 且加 1 条件有效时，才表示计数到 x。
因此，当 add_cnt&&cnt5-1 时，表示计数到 5 个。而当 add_cnt0 &&cnt==5-1 时，不能表示计数到 5 个

3.3 信 定义

下来将 module 补充完整，首先来定义信 类型。对类型 reg 和 wire 的判断总会有多余的联想，比如认为 reg 是寄存器，wire 是线；或者认为 reg 类型会综合成寄存器，wire 类型不会综合成寄存器。

但是这些其实和 reg 型还是 wire 型都并无关系。实际上对信 类型的判断不需要做任何的联想，只
要记住一个规则“用 always 实现的是 reg 型，其他都是 wire 型”就可以了。

cnt0 是用 always 产生的信 ，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。关于信 位宽的获取，至简设计法在此分享一个非常实用的技巧：打开计算器，点击“查看”，选择“程序员”模式，在“十进制”下将信 值输入，就会获得对应的信 位宽。如下图所示，将 cnt0 的值 500_000 输入，可以看出其位宽为 19。