基于Smart Artix 的FPGA实验七 FPGA资源的PWM演示

PWM也即脉冲宽度调试技术，是电子领域的重要技术之一（广泛应用于开关电源，电机速度控制，LED灯亮度控制等领域），类似DSP，单片机，STM32等微处理器中都带有硬件PWM，本文将介绍如何使用VERILOG语言来写一个PWM，并通过呼吸灯的方式来进行效果的演示。

此章节内容适用于Smart Artix 的主板，如是本站其他板子请看对应板子目录
本文在 vivado2018.3版本上演示

一、PWM调整LED亮度的简单原理分析

我们先来看下PWM的标准波形，如下图所示，其中上中下三个波形的周期T和频率F是相同的，第一个波形高电平占整个周期的T的时间是25%，第二个波形占50%，第三个占75%。

因为三个波形的周期T和频率F是相同的，比方说三个PWM的波形都是1KHZ，那么1秒钟内，三个PWM波形都会出现1000个周期为T的方波。如果此时拿这3个波形分别去点亮3个LED灯，那3个LED都会闪烁1000次（只是因为人眼的视觉残留因素，所以感觉不到这个闪烁），但是因为3者的占空比不同（高电平占整个周期的百分比不同）导致最上面25%占空比的波形单位时间内亮的时间最少，75%占空比的波形亮的时间最久。反应到视觉上的结果就是第三个波形点亮的LED灯最亮，第一个波形对应的LED灯最暗，这也就是PWM调光的简单原理。同样的借助这个方法同样可以分析电机等场景。

同样当占空比为0%时，LED灯完全熄灭，当占空比为100%时LED灯完全点亮，借助这个原理，我们只要将占空比从0%逐渐增加到100%，再从100%逐渐减少到0%不断变化，就可以实现呼吸灯的效果了。

二、代码编写

首先我们要设计一个周期性的计数器来来进行波形周期的计数，我们定义占空比的频率为1KHZ，那波形的一个周期就是1ms，在50mhz时钟下，1ms相当于振荡了50000次（对应二进制1100001101010000，即16位），所以这里定义一个16位的寄存器作计数用

reg [15:0] period_cnt;

计数的代码如下

reg [15:0] time_count = 16'd0;
 
// 从0-50000的计数器，即1ms计数器
always @(posedge CLK or negedge RSTn) begin
    if (!RSTn) begin
        time_count <= 16'd0;
    end
    else if (time_count == 16'd50_000) begin
        time_count <= 16'd0;
    end
    else begin
        time_count <= time_count + 1'b1;
    end

其中 if(!RSTn)begin time_count <=16’d0; end 这句是负责复位用，外部RSTn信号接入到按键上（按下是低电平）

仅仅有计数器不能实现波形的输出功能，接下来我们简单写个输出50%方波的程序，仅仅一句话就可以了

wire LED=(time_count <16’d25_000)?1:0;

这句话相当于，在time_count由0计数到50_000的过程中，当小于25000时，输出1，当大于25000时候输出0，又因为整个周期是50000，而25000刚好是一半，那样就产生了一半的高电平，一半的低电平，即标准的50%方波。

我们的目标是设计呼吸灯，那只要把25000变成一个由小到大又从大变到小的寄存器pwm_perid就可以了。

代码如下

reg [15:0] pwm_perid = 16'd0;
reg mode = 0;  // mode为0则自增，mode为1则自减
always @(posedge CLK or negedge RSTn) begin
    if (!RSTn) begin
        pwm_perid <= 16'd0;
    end
    else if (time_count == 16'd50_000) begin
        if (mode == 1'b0) begin
            if (pwm_perid < 16'd50_000) pwm_perid <= pwm_perid + 50;
            else mode <= 1'b1;
        end
        else if (mode == 1'b1) begin
            if (pwm_perid > 16'd0) pwm_perid <= pwm_perid - 50;
            else mode <= 1'b0;
        end
    end
end

增减程序的改变周期为1ms，即1秒钟改变1000次，这里偷个懒，直接用上面的time_count计数器来作这边的改变周期用if(time_count== 16’d50_000)，当然也可以自己重新写一个，都一样的

程序里有一个reg mode，这个是用来记录工作模式的，mode为0则pwm_perid自增，mode为1pwm_perid为自减

而mode切换的条件就是占空比达到最大，或者占空比被减少到0%

代码很简单，直接编译综合并且下载进FPGA观测结果

增加约束文件如下

# Clock Constraints
set_property PACKAGE_PIN Y18 [get_ports CLK]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports CLK]

# Reset Constraints (active-low reset)
set_property PACKAGE_PIN T20 [get_ports RSTn]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports RSTn]

# LED Constraints
set_property PACKAGE_PIN R17 [get_ports LED]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports LED]

# Define the clock period for 50 MHz
create_clock -period 20.000 -name CLK -waveform {0.000 10.000} [get_ports CLK]

下载完后就能看到 LED1 在不停的变亮变暗变亮变暗了,按下RST键，PWM会清零重置。

本章节的工程：

本文的完整工程下载：07_PWM_TEST （Smart Artix 50T）
VIVADO的版本：2018.3
工程创建目录：E:\Smart_Artix\4_Code\07_PWM_TEST

一、PWM调整LED亮度的简单原理分析

二、代码编写

本章节的工程：

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