【案例】PWM流水燈設計

【上板現(xiàn)象】

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

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

PWM流水燈在實驗箱的上板現(xiàn)象（點擊跳轉(zhuǎn)明德?lián)P論壇觀看）

【設計教程】

1.1總體設計

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)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術(shù)，其廣泛應用于測量、通信、功率控制與變換等眾多領(lǐng)域。PWM數(shù)字信號從處理器到被控系統(tǒng)都采用數(shù)字形式，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。航模中的控制信號大多是PWM信號，比如FUTABA、JR等舵機的控制都采用PWM方式，發(fā)射機給接收機輸送脈沖后接收機就會控制舵機進行旋轉(zhuǎn)。舉個例子，假定基礎(chǔ)脈寬是100ms，當發(fā)射機的脈寬增大（如增加到150ms）時接收機就控制舵機正向旋轉(zhuǎn)；反之發(fā)射機的脈寬減小（如減小到50ms）時，接收機就控制舵機逆向旋轉(zhuǎn)。

PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過使用高分辨率計數(shù)器，對方波的占空比進行調(diào)制，從而對一個具體模擬信號的電平進行編碼。由于在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電只存在有（ON）和無（OFF）兩種狀態(tài)，因此PWM信號仍然是數(shù)字信號。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。直流供電被加到負載上的時候為“通”，負載供電被斷開的時候為“斷”。只要有足夠的帶寬，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

通俗來說，PWM是連續(xù)的、具有一定比例占空比的脈沖信號，可以通過控制占空比來對其進行改變。簡單來說，可以認為PWM就是一種方波，如圖所示是一個周期為10ms，高電平為6ms，低電平時間為4ms的PWM，其占空比（高電平時間占整個周期的比例）為60%

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

1.1.2設計目標

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

1.1.3信號列表

1.1.4設計思路

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

該架構(gòu)由兩個計數(shù)器組成：時鐘計數(shù)器cnt_1s和周期計數(shù)器cnt_10s。

時鐘計數(shù)器cnt_1s：用于計算1秒的時鐘個數(shù)，加一條件為1，表示一直計數(shù)；結(jié)束條件為50000000，表示數(shù)到1秒就清零。

周期計數(shù)器cnt_10s：用于對1秒進行計數(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，我們就將這個練習的計數(shù)器架構(gòu)設計出來了。

下面是計數(shù)器的代碼。

下面我們開始設計輸出信號led，在設計這些信號的時候，我們只需要關(guān)注他的變化點，也就是0變1、1變0的點。

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

Led[1]~led[7]也是同樣，即：

上電后，led[1]點亮2s，熄滅8s，再點亮2s，熄滅8s。也就是數(shù)到2秒時，即add_cnt_10s &&cnt_10s==2-1時，led[1]由0變1。當數(shù)到10秒時，即end_cnt_10s時，led[1]由1變0。

上電后，led[2]點亮3s，熄滅7s，再點亮3s，熄滅7s。也就是數(shù)到3秒時，即add_cnt_10s &&cnt_10s==3-1時，led[2]由0變1。當數(shù)到10秒時，即end_cnt_10s時，led[2]由1變0。

上電后，led[3]點亮4s，熄滅6s，再點亮4s，熄滅6s。也就是數(shù)到4秒時，即add_cnt_10s &&cnt_10s==4-1時，led[3]由0變1。當數(shù)到10秒時，即end_cnt_10s時，led[3]由1變0。

上電后，led[4]點亮5s，熄滅5s，再點亮5s，熄滅5s。也就是數(shù)到5秒時，即add_cnt_10s &&cnt_10s==5-1時，led[4]由0變1。當數(shù)到10秒時，即end_cnt_10s時，led[4]由1變0。

上電后，led[5]點亮6s，熄滅4s，再點亮6s，熄滅4s。也就是數(shù)到6秒時，即add_cnt_10s &&cnt_10s==6-1時，led[5]由0變1。當數(shù)到10秒時，即end_cnt_10s時，led[5]由1變0。

上電后，led[6]點亮7s，熄滅3s，再點亮7s，熄滅3s。也就是數(shù)到7秒時，即add_cnt_10s &&cnt_10s==7-1時，led[6]由0變1。當數(shù)到10秒時，即end_cnt_10s時，led[6]由1變0。

上電后，led[7]點亮8s，熄滅2s，再點亮8s，熄滅2s。也就是數(shù)到8秒時，即add_cnt_10s &&cnt_10s==8-1時，led[7]由0變1。當數(shù)到10秒時，即end_cnt_10s時，led[7]由1變0。

由此便可以將所有的led信號設計出來。

下面是led的代碼。

1.1.5參考設計代碼

1.2效果和總結(jié)

時間經(jīng)過1秒之后

時間經(jīng)過4秒的時候

時間經(jīng)過8秒的時候

看上面的現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)，跟設計目標要求的都是一樣的，成功完成設計目標。
我們的至簡設計法和計數(shù)器模板在以上的設計中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，使設計能夠快速準確完成。本設計中的led信號的代碼為了方便理解，把8個led燈分開寫了，希望有興趣的同學可以將led的代碼進行簡化，合成一個always，想不到也沒關(guān)系，在講解視頻中也有講述如何實現(xiàn)。

感興趣的朋友也可以訪問明德?lián)P論壇進行FPGA相關(guān)工程設計學習，也歡迎大家在評論與我進行討論！

好消息！FPGA至簡設計200例已更新，

審核編輯：湯梓紅