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1.至簡原理與應用配套的案例
2.實現(xiàn)控制LED燈亮度的功能，具體為：上電后，LED燈在前10秒時間內，每隔2秒逐漸變亮。在下一個10秒時間內，每隔2秒，亮度逐漸變暗，如此循環(huán)
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第四章? PWM呼吸燈

1?項目背景
隨著LED在照明領域的不斷發(fā)展，其控制方式也越來越多樣化，形成不同的視覺效果。相比較的只具備“開”“關”功能的傳統(tǒng)LED照明，能夠實現(xiàn)從0到100%光的亮度的調節(jié)的LED燈，在家裝燈飾、舞美燈光等領域的需求更為突出。

?呼吸燈是指燈光由高到暗的逐漸變化，感覺好像是人在呼吸。所謂的“呼吸燈”就是根據(jù)人的呼吸頻率通過光的強弱表現(xiàn)出來：呼吸分為兩個過程，一個是“呼”的過程，一個是“吸”的過程。其廣泛應用于手機之上，并成為各大品牌手機的賣點之一。如果你的手機里面有未處理的通知，比如說未接來電，未查收的短信等，呼吸燈就會由暗到亮的變化，像呼吸一樣那么有節(jié)奏，起到一個通知提醒的作用。

呼吸燈的設計方法有很多，有的是用單片機產生PWM（脈沖寬度調制）來驅動LED，也有采用555定時器來做。電路利用電容充放電原理，較為簡單。

脈寬調制（Pulse Width Modelation，PWM），是利用微處理器/FPGA的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在測量、通信、功率控制與變換等許多領域。PWM數(shù)字信號從處理器到被控系統(tǒng)都是數(shù)字形式，無需數(shù)模轉換。

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)射機給接收機一串脈沖，比如基礎脈寬是100ms，那么發(fā)射機的脈寬變大時，比如增大為150ms，那么接收機就控制舵機正向旋轉，發(fā)射的脈寬減小時，比如減小為50ms，那么接收機就控制舵機逆向旋轉。

? PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。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。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

通俗來說，PWM就是連續(xù)的、一定比例占空比的脈沖信號。通過控制占空比來實現(xiàn)不同的控制。簡單地，我們可以認為PWM就是一種方波。如圖所示：

圖?176

PWM波形圖

PWM實現(xiàn)呼吸燈的原理

當輸出為低電平時控制LED燈，當輸出低電平時，燈亮，當輸出高電平時，燈滅。如果一直輸出低電平，則燈一直亮；如果一直輸出高電平，則燈一直暗；如果50%時間輸出低電平，50%時間輸出高電平，則燈會暗一些。所以占空比會影響到LED燈的明暗程度。

另一個影響LED亮度的是PWM波形的周期。試想一下，如果PWM的周期是2秒，占空比為50%，那我們看到的是將是LED暗1秒、亮1秒，而不是半亮的狀態(tài)。只是我們提高PWM的周期，才能看到半亮的狀態(tài)。根據(jù)經驗值，PWM的周期是10毫秒為宜。

也就是說，控制高低電平的時間，也就是占空比（高電平占周期的百分比，例如上面是60%），以及控制PWM的周期，就可以控制燈的亮暗程度。

2?設計目標

本工程實現(xiàn)一個控制LED燈亮度的功能，具體要求：上電后，LED燈顯示接近于滅，然后在10秒內，每隔2秒，亮度變化一次，逐漸變亮。在下一個10秒內，每隔2秒，亮度變化一次，逐漸變暗。總而言之，就是20秒一次循環(huán)，每隔2秒變化一次，前10秒亮度增大，后10秒，亮度減小。

開發(fā)板的硬件原理圖

圖?177

上板效果圖如下圖所示。

圖?178

3?設計實現(xiàn)

3.1?頂層信號

新建目錄：D:mdy_bookpwmled。在該目錄中，新建一個名為pwmled.v的文件，并用GVIM打開，開始編寫代碼。

我們先分析一下板子上的LED燈。板子上的每個LED燈，都有一個信號與之相連，這個信號一端連著LED，另一端連著FPGA。FPGA控制這根線，就可以控制LED燈的亮、滅以及亮度。當FPGA將這根線輸出為0時，LED要亮；當FPGA將這根線輸出為1時，這個LED燈就滅；FPGA通過輸出一個PWM波形，并且控制占空比，就可以實現(xiàn)LED的亮度控制。

下面表格表示了硬件電路圖的連接關系。

綜上所述，我們這個工程需要三個信號，時鐘clk，復位rst_n和輸出信號led。將module的名稱定義為pwmled。為此，代碼如下：

其中clk、rst_n是輸入信號，led是輸出信號，并且三個信號都是1比特的，根據(jù)這些信息，我們補充輸入輸出端口定義。代碼如下：

3.2?信號設計

我們首先分析一下需求：上電后，LED燈顯示接近于滅，然后在10秒內，每隔2秒，亮度變化一次，逐漸變亮。在下一個10秒內，每隔2秒，亮度變化一次，逐漸變暗。總而言之，就是20秒一次循環(huán)，每隔2秒變化一次，前10秒亮度增大，后10秒，亮度減小。

另外，根據(jù)PWM的原理，通過控制PWM的占空比就可以實現(xiàn)亮度控制。占空比越大（高電平時間越長，低電平時間越低），燈的亮度越暗。

根據(jù)這個原理，可以翻譯成：FPGA控制led信號，輸出PWM波形，并調整占空比。調整方法：20秒一次循環(huán)，每隔2秒變化led的占空比一次，前10秒占空比變大，后10秒，占空比變小。

由于需求沒有說明具體的占空比是多少，那我們就自行制定一下占空比，讀者可以在上板時，根據(jù)視覺效果，調整占空比的大小。自行制定的占空比如下：

第1個2秒內，占空比為95%；

第2個2秒內，占空比為85%；

第3個2秒內，占空比為70%；

第4個2秒內，占空比為50%；

第5個2秒內，占空比為20%；

第6個2秒內，占空比為20%；

第7個2秒內，占空比為50%；

第8個2秒內，占空比為70%；

第9個2秒內，占空比為85%；

第10個2秒內，占空比為95%。

然后按上面的過程循環(huán)。

PWM的波的周期，根據(jù)經驗值可以設為10毫秒。

根據(jù)上述分析，這個led信號的變化情況如下：

圖?179

第1次持續(xù)時間2秒，每10毫秒輸出一個PWM波（9.5毫秒時變低）；

第2次持續(xù)時間2秒，每10毫秒輸出一個PWM波（8.5毫秒時變低）；

第3次持續(xù)時間2秒，每10毫秒輸出一個PWM波（7.0毫秒時變低）；

第4次持續(xù)時間2秒，每10毫秒輸出一個PWM波（5.0毫秒時變低）；

第5次持續(xù)時間2秒，每10毫秒輸出一個PWM波（2.0毫秒時變低）；

第6次持續(xù)時間2秒，每10毫秒輸出一個PWM波（2.0毫秒時變低）；

第7次持續(xù)時間2秒，每10毫秒輸出一個PWM波（5.0毫秒時變低）；

第8次持續(xù)時間2秒，每10毫秒輸出一個PWM波（7.0毫秒時變低）；

第9次持續(xù)時間2秒，每10毫秒輸出一個PWM波（8.5毫秒時變低）；

第10次持續(xù)時間2秒，每10毫秒輸出一個PWM波（9.5毫秒時變低）；

從中我們可以得到有以下幾個計數(shù)器：計數(shù)10毫秒時間的計數(shù)器；計數(shù)2秒時間的計數(shù)器以及計數(shù)第1~10次的計數(shù)器。

計數(shù)10毫秒的計數(shù)器的設計思路。本工程的工作時鐘是50MHz，即周期為20ns，計數(shù)器計數(shù)到10_000_000/20=500_000個，我們就能知道10毫秒時間到了。另外，由于該計數(shù)器是不停地計數(shù)，永遠不停止的，可以認為加1條件一直有效，可寫成：assign add_cnt==1。該計數(shù)器一共要數(shù)500_000個。綜上所述，該計數(shù)器的代碼如下。

2秒時間計數(shù)器的設計思路。本工程的工作時鐘是50MHz，即周期為20ns，計數(shù)器計數(shù)到2_000_000_000/20=100_000_000個，我們就能知道2秒時間到了。這是一種設計思路。但我們也可以以10毫秒為基礎，通過數(shù)有2_000_000_000/10_000_000=200個10毫秒時間，就能知道2秒時間到了。所以該計數(shù)器的加1條件是end_cnt0，一共有數(shù)200個。綜上所述，該計數(shù)器的代碼如下。

第1~第10次計數(shù)器的設計思路。該計數(shù)器是每隔2秒就會加1，也就是end_cnt1的時候，就會加1；該計數(shù)器一共要數(shù)10個。綜上所述，該計數(shù)器的代碼如下。

有了這三個計數(shù)器，我們來思考輸出信號led的變化。概括起來，led有兩個變化點：變0和變1。變0的原因都是在10毫秒計數(shù)器數(shù)到一定個數(shù)時變0，但這個計數(shù)是會變的，那么我們可以假設為x，也就是數(shù)到x個時，led變0。變1則是由于10毫秒計數(shù)時間到了，也就是end_cnt0時，led變1?。綜上所述，led信號的代碼如下：

最后我們再來思考變量x。x是led變0的時間。這個時間在不同的次數(shù)時，值會不相同。例如第1次是數(shù)到9.5毫秒（cnt0數(shù)到475_000個），第2次則是在8.5毫秒（cnt0數(shù)到425_000個）。也就是說x的值與第幾次有關，即與cnt2有關。根據(jù)題意，可知x的代碼如下：

此次，主體程序已經完成。接下來是將module補充完整。

3.3?信號定義

接下來定義信號類型。

cnt0是用always產生的信號，因此類型為reg。cnt0計數(shù)的最大值為500_000，需要用19根線表示，即位寬是19位。因此代碼如下：

add_cnt0和end_cnt0都是用assign方式設計的，因此類型為wire。并且其值是0或者1，1個線表示即可。因此代碼如下：

cnt1是用always產生的信號，因此類型為reg。cnt1計數(shù)的最大值為200，需要用8根線表示，即位寬是8位。因此代碼如下：

add_cnt1和end_cnt1都是用assign方式設計的，因此類型為wire。并且其值是0或者1，1根線表示即可。因此代碼如下：

cnt2是用always產生的信號，因此類型為reg。cnt2計數(shù)的最大值為9，需要用4根線表示，即位寬是4位。因此代碼如下：

add_cnt2和end_cnt2都是用assign方式設計的，因此類型為wire。并且其值是0或者1，1根線表示即可。因此代碼如下：

led是用always方式設計的，因此類型為reg。并且其值是0或者1，1根線表示即可。因此代碼如下：

x是用always方式設計的，因此類型為reg。并且其值是最大是475_000，需要19根線表示即可。因此代碼如下：

至此，整個代碼的設計工作已經完成。下一步是新建工程和上板查看現(xiàn)象。

4?綜合與上板

4.1?新建工程

首先在d盤中創(chuàng)建名為“pwmled”的工程文件夾，將寫的代碼命名為“pwmled.v”,頂層模塊名為“pwmled”。

圖?180

圖?181

然后打開Quartus?Ⅱ，點擊File下拉列表中的New Project Wzard...新建工程選項。

圖?182

3.在出現(xiàn)的界面中直接點擊最下方的“Next”。

圖?183

4.之后出現(xiàn)的是工程文件夾、工程名、頂層模塊名設置界面。按照之前的命名進行填寫，第一欄選擇工程文件夾“pwmled”，第二欄選擇工程文件“pwmled.v”，最后一欄選擇頂層模塊名“pwmled”,然后點擊”Next”，再出現(xiàn)的界面選擇empty?project。

圖?184

圖?185

5.之后是文件添加界面。在上方一欄中添加之前寫的”pwmled.v”文件，點擊右側的“Add”按鈕，之后文件還會出現(xiàn)在大方框中，之后點擊“Next”。

圖?186

器件型號選擇界面。在“Device family”處選擇Cyclone?ⅣE，在“Available devices”處選擇EP4CE15F23C8，然后點擊“Next”。

圖?187

EDA工具界面。該頁面用默認的就行，直接點擊最下方“Next”。

圖?188

8.之后出現(xiàn)的界面是我們前面的設置的總結，確認沒有錯誤后點擊“Finish”。

圖?189

4.2?綜合

1.新建工程步驟完成后，就會出現(xiàn)以下界面。在“Project Navigator”下選中要編譯的文件，點擊上方工具欄中“Start Compilation”編譯按鈕（藍色三角形）。

圖?190

2.編譯成功后會出現(xiàn)以下界面。

圖?191

4.3?配置管腳

圖?192

菜單欄中，選中Assignments，然后選擇Pin Planner，就會彈出配置管腳的窗口。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?圖?193

在配置窗口最下方中的location一列，參考下表中最右兩列配置好FPGA管腳。

配置完成后，關閉Pin Planner，軟件自動會保存管腳配置信息。

4.4?再次綜合

?
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖194

在菜單欄中，選中Processing，然后選擇Start Compilation，再次對整個工程進行編譯和綜合。

圖?195

出現(xiàn)上面的界面，就說明編譯綜合成功。

4.5?連接開發(fā)板

圖中，下載器接入電腦USB接口，電源接入電源，然后摁下下方藍色開關，看到開發(fā)板燈亮。

圖?196

4.6?上板

1. 雙擊Tasks一欄中”Program Device”。

圖?197

2.會出現(xiàn)如下界面，點擊add file添加.sof文件，在左側點擊“Start”，會在上方的“Progress”處顯示進度。

圖?198

3.進度條中提示成功后，即可在開發(fā)板上觀察到相應的現(xiàn)象。

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