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FPGA学习系列:15. 呼吸灯(pwm)设计

FPGA学习交流 2018-06-13 11:21 次阅读
设计背景:     呼吸灯广泛应用于手机之上,并成为各大品牌新款手机的卖点之一。如果手机里面有未处理的通知,比如说未接来电,未查收的短信等等,呼吸灯就会在控制之下完成由亮到暗的逐渐变化,感觉好像是人在呼吸起到一个通知提醒的作用。   设计原理:      关于呼吸灯设计实现的理论主要是PWM有关知识。PWMPluse Width Modulation)脉冲宽度调制,是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。并广泛应用在从测量、通信、功率控制与变换及LED照明等许多领域中。顾名思义,就是占空比可调的信号,那么什么是占空比呢?     占空比(Duty Cycle or Duty Ratio),可以解释为,在一脉冲序列中(方波),正脉冲序列的持续时间与脉冲总周期的比值。也可理解为,电路释放能量的有效时间与总释放时间的比值。     PWM是怎样实现调光呢?想要调节LED的亮度变化,实则是调节控制流经LED的电流。电流增大则LED亮度增强,反之减弱。但由于电流为模拟信号,所以这时就用到了PWM。正如下图所示:     image.png     使用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦波,脉冲的宽度根据正弦波a的幅度变化,幅度高,则脉冲宽,反之。         多数负载需要的PWM调制频率都高于10Hz,要想实现呼吸灯的效果必须提高调制频率,通常调制频率为1Khz~200Khz之间。在LED控制中PWM作用于电源部分,脉宽调制的脉冲频率通常大于100Hz,人眼就不会感到闪烁。这里我们取PWM调制频率为1KHzPWM周期为1ms     脉冲频率一定时,输出脉冲的占空比越大,相当于输出的有效电平越大,随着占空比的不同,LED的亮度也将不同。如占空比为0时,则LED不亮,为100%时,则LED最量,我们让占空比从0~100%变化,再从100%~0不断变化,则就可实现呼吸灯效果。     本设计呼吸灯的一个周期为2s,分为占空比增“吸”和占空比减“呼”两种模式,每个为1s,一个PWM周期为2ms,所以每个模式包含1000PWM周期,将每个PWM周期分为1000份,即每个时间段2us   设计架构图:     时钟50M     image.png 设计代码: 设计模块 0  module huxi_led_state(clk,led,rst_n); 1   input clk; 2   input rst_n; 3   4   output reg led; 5   6   parameter T = 100_000; 7   8   localparam s0 = 1'b0; 9   localparam s1 = 1'b1; 10  11  reg [25:0] lw; 12  reg [25:0] hw; 13  14  reg [16:0] count; 15  16  // 产生2MS的脉冲 17  always @(posedge clk or negedge rst_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  wire flag; 35  assign flag =(count == T - 1) ? 1'b1:1'b0; 36  37  reg state; 38  39  // 通过在一个周期中加减高低电平的时间来产生PWM 40  always @(posedge clk or negedge rst_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))   //判断低电平的时间 52         begin 53          lw <= lw - 100; 54          hw <= hw + 100; 55          state <= s0; 56         end 57        else if(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))   //判断高电平的时间 72         begin 73          hw <= hw - 100; 74          lw <= lw + 100; 75          state <= s1; 76         end 77        else if(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  reg sum; 96  97  //分频模块,产生不同占空比的LED亮的时间 98  always @(posedge clk or negedge rst_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 )   //高电平的时间 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) //低电平的时间 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 133 134 endmodule    测试模块 0 `timescale 1ns/1ps  1  module huxi_led_state_tb(); 2  reg clk; 3  reg rst_n; 4  5  wire led; 6  7  parameter T = 100_000; 8  9  initial begin  10   clk = 1'b1; 11   rst_n = 1'b0; 12 13   #200.1 rst_n = 1'b1; 14 15 16  end 17 18  always #10 clk = ~ clk;  19 20 21 22 huxi_led_state  huxi_led_state_date(  //例化设计 23     .clk(clk), 24     .led(led), 25     .rst_n(rst_n) 26     ); 27 endmodule    仿真图: image.png
    
    仿真中可以看到点亮led等高电平在不停的增高,然后会降低,通过验证我们的设计是正确的。
 

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