使用PWM控制LED实现呼吸灯的效果

　　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。

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/1ps
　　moduleax_pwm
　　#（
　　parameterN=16//pwmbitwidth
　　）
　　（
　　inputclk，
　　inputrst，
　　input［N-1:0］period， //pwmstepvalue
　　input［N-1:0］duty， //dutyvalue
　　outputpwm_out //pwmoutput
　　）;
　　reg［N-1:0］period_r; //periodregister
　　reg［N-1:0］duty_r; //dutyregister
　　reg［N-1:0］period_cnt; //periodcounter
　　regpwm_r;
　　assignpwm_out=pwm_r;
　　always@（posedgeclkorposedgerst）
　　begin
　　if（rst==1）
　　begin
　　period_r《={N{1‘b0}};
　　duty_r《={N{1’b0}};
　　end
　　else
　　begin
　　period_r《=period;
　　duty_r《=duty;
　　end
　　end
　　//periodcounter，stepisperiodvalue
　　always@（posedgeclkorposedgerst）
　　begin
　　if（rst==1）
　　period_cnt《={N{1‘b0}};
　　else
　　period_cnt《=period_cnt+period_r;
　　end
　　always@（posedgeclkorposedgerst）
　　begin
　　if（rst==1）
　　begin
　　pwm_r《=1’b0;
　　end
　　else
　　begin
　　if（period_cnt》=duty_r） //ifperiodcounteri***iggerorequalstodutyvalue，thensetpwmvaluetohigh
　　pwm_r《=1‘b1;
　　else
　　pwm_r《=1’b0;
　　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
　　modulepwm_test（
　　inputclk，//25MHz
　　inputrst_n，//lowactive
　　outputled//high-off，low-on
　　）;
　　localparamCLK_FREQ=25;//25MHz
　　localparamUS_COUNT=CLK_FREQ;//1uscounter
　　localparamMS_COUNT=CLK_FREQ*1000;//1mscounter
　　localparamDUTY_STEP=32‘d100000;//dutystep
　　localparamDUTY_MIN_VALUE=32’h6fffffff;//dutyminimumvalue
　　localparamDUTY_MAX_VALUE=32‘hffffffff;//dutymaximumvalue
　　localparamIDLE=0;//IDLEstate
　　localparamPWM_PLUS=1;//PWMdutyplusstate
　　localparamPWM_MINUS=2;//PWMdutyminusstate
　　localparamPWM_GAP=3;//PWMdutyadjustmentgap
　　wirepwm_out;//pwmoutput
　　reg［31:0］period;//pwmstepvalue
　　reg［31:0］duty;//dutyvalue
　　regpwm_flag;//dutyvalueplusandminusflag，0:plus;1:minus
　　reg［3:0］state;
　　reg［31:0］timer;//dutyadjustmentcounter
　　assignled=~pwm_out;//ledlowactive
　　always@（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;//Thepwmstepvalue，pwm200Hz（period=200*2^32/50000000）
　　state《=PWM_PLUS;
　　duty《=DUTY_MIN_VALUE;
　　end
　　PWM_PLUS：
　　begin
　　if（duty》DUTY_MAX_VALUE-DUTY_STEP）//ifdutyi***iggerthanDUTYMAXVALUEminusDUTY_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）//ifdutyislittlethanDUTYMINVALUEplusdutystep，begintoadddutyvalue
　　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
　　endcase
　　end
　　//Instantiatepwmmodule
　　ax_pwm
　　#（
　　.N（32）
　　）
　　ax_pwm_m0（
　　.clk（clk），
　　.rst（~rst_n），
　　.period（period），
　　.duty（duty），
　　.pwm_out（pwm_out）
　　）;
　　endmodule

　　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。