FPGA學(xué)習(xí)系列：15. 呼吸燈（pwm）設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)背景：

呼吸燈廣泛應(yīng)用于手機(jī)之上，并成為各大品牌新款手機(jī)的賣點(diǎn)之一。如果手機(jī)里面有未處理的通知，比如說(shuō)未接來(lái)電，未查收的短信等等，呼吸燈就會(huì)在控制之下完成由亮到暗的逐漸變化，感覺(jué)好像是人在呼吸，起到一個(gè)通知提醒的作用。

設(shè)計(jì)原理:

關(guān)于呼吸燈設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的理論主要是PWM有關(guān)知識(shí)。PWM（Pluse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制，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)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。并廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信、功率控制與變換及LED照明等許多領(lǐng)域中。顧名思義，就是占空比可調(diào)的信號(hào)，那么什么是占空比呢？

占空比（Duty Cycle or Duty Ratio），可以解釋為，在一脈沖序列中（方波），正脈沖序列的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值。也可理解為，電路釋放能量的有效時(shí)間與總釋放時(shí)間的比值。

PWM是怎樣實(shí)現(xiàn)調(diào)光呢？想要調(diào)節(jié)LED的亮度變化，實(shí)則是調(diào)節(jié)控制流經(jīng)LED的電流。電流增大則LED亮度增強(qiáng)，反之減弱。但由于電流為模擬信號(hào)，所以這時(shí)就用到了PWM。正如下圖所示：

使用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦波，脈沖的寬度根據(jù)正弦波a的幅度變化，幅度高，則脈沖寬，反之。

多數(shù)負(fù)載需要的PWM調(diào)制頻率都高于10Hz，要想實(shí)現(xiàn)呼吸燈的效果，必須提高調(diào)制頻率，通常調(diào)制頻率為1Khz~200Khz之間。在LED控制中PWM作用于電源部分，脈寬調(diào)制的脈沖頻率通常大于100Hz，人眼就不會(huì)感到閃爍。這里我們?nèi)WM調(diào)制頻率為1KHz，PWM周期為1ms。

脈沖頻率一定時(shí)，輸出脈沖的占空比越大，相當(dāng)于輸出的有效電平越大，隨著占空比的不同，LED的亮度也將不同。如占空比為0時(shí)，則LED不亮，為100%時(shí)，則LED最量，我們讓占空比從0~100%變化，再?gòu)?/span>100%~0不斷變化，則就可實(shí)現(xiàn)呼吸燈效果。

本設(shè)計(jì)呼吸燈的一個(gè)周期為2s，分為占空比增“吸”和占空比減“呼”兩種模式，每個(gè)為1s，一個(gè)PWM周期為2ms，所以每個(gè)模式包含1000個(gè)PWM周期，將每個(gè)PWM周期分為1000份，即每個(gè)時(shí)間段2us。

設(shè)計(jì)架構(gòu)圖:

時(shí)鐘50M

設(shè)計(jì)代碼:

設(shè)計(jì)模塊

0modulehuxi_led_state(clk,led,rst_n);

1 inputclk;

2 inputrst_n;

3

4 outputregled;

5

6 parameterT =100_000;

7

8 localparams0 =1'b0;

9 localparams1 =1'b1;

10

11 reg[25:0]lw;

12 reg[25:0]hw;

13

14 reg[16:0]count;

15

16 // 產(chǎn)生2MS的脈沖

17 always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

18 if(!rst_n)

19 begin

20 count <=1'b0;

21 end

22 else

23 begin

24 if(count ==T -1)

25 begin

26 count <=1'b0;

27 end

28 else

29 begin

30 count <=count +1'b1;

31 end

32 end

33

34 wireflag;

35 assignflag =(count ==T -1)?1'b1:1'b0;

36

37 regstate;

38

39 // 通過(guò)在一個(gè)周期中加減高低電平的時(shí)間來(lái)產(chǎn)生PWM波

40 always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

41 if(!rst_n)

42 begin

43 lw <=T -100;

44 hw <=100;

45 state <=1'b0;

46 end

47 else

48 begin

49 case(state)

50 s0:begin

51 if(flag &&(lw >100))//判斷低電平的時(shí)間

52 begin

53 lw <=lw -100;

54 hw <=hw +100;

55 state <=s0;

56 end

57 elseif(flag &&(lw ==100))

58 begin

59 hw <=hw -100;

60 lw <=lw +100;

61 state <=s1;

62 end

63 else

64 begin

65 hw <=hw;

66 lw <=lw;

67 state <=s0;

68 end

69 end

70 s1:begin

71 if(flag &&(hw >100))//判斷高電平的時(shí)間

72 begin

73 hw <=hw -100;

74 lw <=lw +100;

75 state <=s1;

76 end

77 elseif(flag &&(hw ==100))

78 begin

79 hw <=hw +100;

80 lw <=lw -100;

81 state <=s0;

82 end

83 else

84 begin

85 hw <=hw;

86 lw <=lw;

87 state <=s1;

88 end

89 end

90 default:state <=s0;

91 endcase

92 end

93

94 reg[25:0]cnt;

95 regsum;

96

97 //分頻模塊，產(chǎn)生不同占空比的LED亮的時(shí)間

98 always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

99 if(!rst_n)

100 begin

101 sum <=1'b0;

102 led <=1'b1;

103 cnt <=1'b0;

104 end

105 else

106 case(sum)

107 s0:begin

108 if(cnt <hw -1)//高電平的時(shí)間

109 begin

110 led <=1'b0;

111 cnt <=cnt +1'b1;

112 end

113 else

114 begin

115 cnt <=1'b0;

116 sum <=s1;

117 end

118 end

119 s1:begin

120 if(cnt <lw -1)//低電平的時(shí)間

121 begin

122 led <=1'b1;

123 cnt <=cnt +1'b1;

124 end

125 else

126 begin

127 cnt <=1'b0;

128 sum <=s0;

129 end

130 end

131 default:sum <=s0;

132 endcase

133

134endmodule

測(cè)試模塊

0`timescale1ns/1ps

1 modulehuxi_led_state_tb();

2 regclk;

3 regrst_n;

4

5 wireled;

6

7 parameterT =100_000;

8

9 initialbegin

10 clk =1'b1;

11 rst_n =1'b0;

12

13 #200.1rst_n =1'b1;

14

15

16 end

17

18 always#10clk =~clk;

19

20

21

22 huxi_led_state huxi_led_state_date(//例化設(shè)計(jì)

23 .clk(clk),

24 .led(led),

25 .rst_n(rst_n)

26 );

27 endmodule

仿真圖:

仿真中可以看到點(diǎn)亮led等高電平在不停的增高，然后會(huì)降低，通過(guò)驗(yàn)證我們的設(shè)計(jì)是正確的。