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PWM流水燈設(shè)計(jì)

--作者：小黑同學(xué)

【上板現(xiàn)象】

PWM流水燈在MP801的上板現(xiàn)象（點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)明德?lián)P論壇觀看）

PWM流水燈在點(diǎn)撥開發(fā)板的上板現(xiàn)象（點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)明德?lián)P論壇觀看）

PWM流水燈在實(shí)驗(yàn)箱的上板現(xiàn)象（點(diǎn)擊跳轉(zhuǎn)明德?lián)P論壇觀看）

【設(shè)計(jì)教程】

1.1 總體設(shè)計(jì)

1.1.1 概述

脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（Pulse WidthModelation，PWM）是利用微處理器/FPGA的數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，其廣泛應(yīng)用于測(cè)量、通信、功率控制與變換等眾多領(lǐng)域。PWM數(shù)字信號(hào)從處理器到被控系統(tǒng)都采用數(shù)字形式，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。航模中的控制信號(hào)大多是PWM信號(hào)，比如FUTABA、JR等舵機(jī)的控制都采用PWM方式，發(fā)射機(jī)給接收機(jī)輸送脈沖后接收機(jī)就會(huì)控制舵機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。舉個(gè)例子，假定基礎(chǔ)脈寬是100ms，當(dāng)發(fā)射機(jī)的脈寬增大（如增加到150ms）時(shí)接收機(jī)就控制舵機(jī)正向旋轉(zhuǎn)；反之發(fā)射機(jī)的脈寬減小（如減小到50ms）時(shí)，接收機(jī)就控制舵機(jī)逆向旋轉(zhuǎn)。

PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)使用高分辨率計(jì)數(shù)器，對(duì)方波的占空比進(jìn)行調(diào)制，從而對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。由于在給定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電只存在有（ON）和無(wú)（OFF）兩種狀態(tài)，因此PWM信號(hào)仍然是數(shù)字信號(hào)。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候?yàn)椤巴ā保?fù)載供電被斷開的時(shí)候?yàn)椤皵唷?。只要有足夠的帶寬，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

通俗來(lái)說(shuō)，PWM是連續(xù)的、具有一定比例占空比的脈沖信號(hào)，可以通過(guò)控制占空比來(lái)對(duì)其進(jìn)行改變。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為PWM就是一種方波，如圖所示是一個(gè)周期為10ms，高電平為6ms，低電平時(shí)間為4ms的PWM，其占空比（高電平時(shí)間占整個(gè)周期的比例）為60%

PWM波形圖

發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為LED，是一種常用的發(fā)光器件，通過(guò)電子與空穴復(fù)合釋放能量發(fā)光，它在照明領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。發(fā)光二極管可高效的將電能轉(zhuǎn)化為光能，在現(xiàn)代社會(huì)具有廣泛的用途，如照明、平板顯示、醫(yī)療器件等?？赏ㄟ^(guò)高低電平的變化來(lái)控制LED燈的明滅狀態(tài)，當(dāng)輸出信號(hào)為低電平時(shí)，LED燈亮，反之，當(dāng)輸出信號(hào)為高電平時(shí)，LED燈滅。因此可通過(guò)改變PWM波形的占空比，來(lái)控制LED燈亮滅的時(shí)間，當(dāng)有多個(gè)LED燈的時(shí)候，通過(guò)不同的PWM波形來(lái)控制不同的LED燈，就可以產(chǎn)生各種各樣不同的效果。

1.1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本模塊產(chǎn)生8個(gè)不同的PWM脈沖，控制8個(gè)LED燈點(diǎn)亮不同的時(shí)間，從而達(dá)到流水燈的效果。每個(gè)脈沖周期為10s，占空比從10%~80%。上電后，led0點(diǎn)亮1s，熄滅9s；再點(diǎn)亮1s，熄滅9s，……，依次不斷循環(huán)。led1~led7與led0類似，分別點(diǎn)亮2s~8s，其他時(shí)候都是熄滅的。

1.1.3信號(hào)列表

信號(hào)名	接口方向	定義
clk	輸入	系統(tǒng)時(shí)鐘，50Mhz
rst_n	輸入	低電平復(fù)位信號(hào)
led	輸出	8位led燈輸出信號(hào)

1.1.4 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)題目功能要求可知，產(chǎn)生的8個(gè)不同的PWM脈沖的周期都是10秒（s），由此我們可以提出兩個(gè)計(jì)數(shù)器的架構(gòu)，如下圖所示。

該架構(gòu)由兩個(gè)計(jì)數(shù)器組成：時(shí)鐘計(jì)數(shù)器cnt_1s和周期計(jì)數(shù)器cnt_10s。

時(shí)鐘計(jì)數(shù)器cnt_1s：用于計(jì)算1秒的時(shí)鐘個(gè)數(shù)，加一條件為1，表示一直計(jì)數(shù)；結(jié)束條件為50000000，表示數(shù)到1秒就清零。

周期計(jì)數(shù)器cnt_10s：用于對(duì)1秒進(jìn)行計(jì)數(shù)，加一條件為end_cnt_1s，表示數(shù)到1秒就加1；結(jié)束條件為10，表示數(shù)完10秒就清零。

至此，我們就將這個(gè)練習(xí)的計(jì)數(shù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)出來(lái)了。

下面是計(jì)數(shù)器的代碼。

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(!rst_n)begin

cnt_1s <= 0;

end

else if(add_cnt_1s)begin

if(end_cnt_1s)

cnt_1s <= 0;

else

cnt_1s <= cnt_1s + 1;

end

assign add_cnt_1s = 1;

assign end_cnt_1s = add_cnt_1s && cnt_1s==50_000_000 -1 ;

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(!rst_n)begin

cnt_10s <= 0;

end

else if(add_cnt_10s)begin

if(end_cnt_10s)

cnt_10s <= 0;

else

cnt_10s <= cnt_10s + 1;

end

assign add_cnt_10s = end_cnt_1s;

assign end_cnt_10s = add_cnt_10s && cnt_10s==10-1 ;

下面我們開始設(shè)計(jì)輸出信號(hào)led，在設(shè)計(jì)這些信號(hào)的時(shí)候，我們只需要關(guān)注他的變化點(diǎn)，也就是0變1、1變0的點(diǎn)。

以led0的變化為例，上電后，led[0]點(diǎn)亮1s，熄滅9s，再點(diǎn)亮1s，熄滅9s。也就是數(shù)到1秒時(shí)，即add_cnt_10s && cnt_10s==1-1時(shí)，led0由0變1。當(dāng)數(shù)到10秒時(shí)，即end_cnt_10s時(shí)，led[0]由1變0。

Led[1]~led[7]也是同樣，即：

上電后，led[1]點(diǎn)亮2s，熄滅8s，再點(diǎn)亮2s，熄滅8s。也就是數(shù)到2秒時(shí)，即add_cnt_10s &&cnt_10s==2-1時(shí)，led[1]由0變1。當(dāng)數(shù)到10秒時(shí)，即end_cnt_10s時(shí)，led[1]由1變0。

上電后，led[2]點(diǎn)亮3s，熄滅7s，再點(diǎn)亮3s，熄滅7s。也就是數(shù)到3秒時(shí)，即add_cnt_10s &&cnt_10s==3-1時(shí)，led[2]由0變1。當(dāng)數(shù)到10秒時(shí)，即end_cnt_10s時(shí)，led[2]由1變0。

上電后，led[3]點(diǎn)亮4s，熄滅6s，再點(diǎn)亮4s，熄滅6s。也就是數(shù)到4秒時(shí)，即add_cnt_10s &&cnt_10s==4-1時(shí)，led[3]由0變1。當(dāng)數(shù)到10秒時(shí)，即end_cnt_10s時(shí)，led[3]由1變0。

上電后，led[4]點(diǎn)亮5s，熄滅5s，再點(diǎn)亮5s，熄滅5s。也就是數(shù)到5秒時(shí)，即add_cnt_10s &&cnt_10s==5-1時(shí)，led[4]由0變1。當(dāng)數(shù)到10秒時(shí)，即end_cnt_10s時(shí)，led[4]由1變0。

上電后，led[5]點(diǎn)亮6s，熄滅4s，再點(diǎn)亮6s，熄滅4s。也就是數(shù)到6秒時(shí)，即add_cnt_10s &&cnt_10s==6-1時(shí)，led[5]由0變1。當(dāng)數(shù)到10秒時(shí)，即end_cnt_10s時(shí)，led[5]由1變0。

上電后，led[6]點(diǎn)亮7s，熄滅3s，再點(diǎn)亮7s，熄滅3s。也就是數(shù)到7秒時(shí)，即add_cnt_10s &&cnt_10s==7-1時(shí)，led[6]由0變1。當(dāng)數(shù)到10秒時(shí)，即end_cnt_10s時(shí)，led[6]由1變0。

上電后，led[7]點(diǎn)亮8s，熄滅2s，再點(diǎn)亮8s，熄滅2s。也就是數(shù)到8秒時(shí)，即add_cnt_10s &&cnt_10s==8-1時(shí)，led[7]由0變1。當(dāng)數(shù)到10秒時(shí)，即end_cnt_10s時(shí)，led[7]由1變0。

由此便可以將所有的led信號(hào)設(shè)計(jì)出來(lái)。

下面是led的代碼。

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[0] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[0] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==1-1)begin

led[0] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[1] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[1] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==2-1)begin

led[1] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[2] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[2] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==3-1)begin

led[2] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[3] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[3] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==4-1)begin

led[3] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[4] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[4] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==5-1)begin

led[4] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[5] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[5] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==6-1)begin

led[5] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[6] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[6] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==7-1)begin

led[6] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[7] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[7] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==8-1)begin

led[7] <= 1;

end

1.1.5參考設(shè)計(jì)代碼

module pwmled(

clk ,

rst_n ,

led

);

input clk ;

input rst_n ;

output [ 7:0] led ;

reg [25:0] cnt_1s ;

wire add_cnt_1s ;

wire end_cnt_1s ;

reg [ 7:0] cnt_10s ;

wire add_cnt_10s;

wire end_cnt_10s;

reg [ 7:0] led ;

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(!rst_n)begin

cnt_1s <= 0;

end

else if(add_cnt_1s)begin

if(end_cnt_1s)

cnt_1s <= 0;

else

cnt_1s <= cnt_1s + 1;

end

assign add_cnt_1s = 1;

assign end_cnt_1s = add_cnt_1s && cnt_1s==50_000_000 -1 ;

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(!rst_n)begin

cnt_10s <= 0;

end

else if(add_cnt_10s)begin

if(end_cnt_10s)

cnt_10s <= 0;

else

cnt_10s <= cnt_10s + 1;

end

assign add_cnt_10s = end_cnt_1s;

assign end_cnt_10s = add_cnt_10s && cnt_10s==10-1 ;

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[0] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[0] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==1-1)begin

led[0] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[1] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[1] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==2-1)begin

led[1] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[2] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[2] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==3-1)begin

led[2] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[3] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[3] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==4-1)begin

led[3] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[4] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[4] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==5-1)begin

led[4] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[5] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[5] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==6-1)begin

led[5] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[6] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[6] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==7-1)begin

led[6] <= 1;

end

always @(posedge clk or negedgerst_n)begin

if(rst_n==1'b0)begin

led[7] <= 0;

end

else if(end_cnt_10s)begin

led[7] <= 0;

end

else if(add_cnt_10s && cnt_10s==8-1)begin

led[7] <= 1;

end

endmodule

1.2 效果和總結(jié)

時(shí)間經(jīng)過(guò)1秒之后

時(shí)間經(jīng)過(guò)4秒的時(shí)候

時(shí)間經(jīng)過(guò)8秒的時(shí)候

看上面的現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)，跟設(shè)計(jì)目標(biāo)要求的都是一樣的，成功完成設(shè)計(jì)目標(biāo)。

我們的至簡(jiǎn)設(shè)計(jì)法和計(jì)數(shù)器模板在以上的設(shè)計(jì)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，使設(shè)計(jì)能夠快速準(zhǔn)確完成。本設(shè)計(jì)中的led信號(hào)的代碼為了方便理解，把8個(gè)led燈分開寫了，希望有興趣的同學(xué)可以將led的代碼進(jìn)行簡(jiǎn)化，合成一個(gè)always，想不到也沒(méi)關(guān)系，在講解視頻中也有講述如何實(shí)現(xiàn)。

感興趣的朋友也可以訪問(wèn)明德?lián)P論壇（http://www.fpgabbs.cn/）進(jìn)行FPGA相關(guān)工程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)，也歡迎大家在評(píng)論與我進(jìn)行討論！

【設(shè)計(jì)教程下載】

PWM流水燈V2.0.pdf (696.4 KB, 下載次數(shù): 0)

【設(shè)計(jì)視頻教程】

http://www.fpgabbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=1041&page=1&extra=#pid1805 （點(diǎn)擊鏈接跳轉(zhuǎn)明德?lián)P論壇觀看）

【工程源碼】 01_PWM_waterfall_light.rar (8.23 KB, 下載次數(shù): 0)

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