fpga实操训练（利用fpga实现pwm）

Posted 2022-12-21 嵌入式-老费

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        pwm，其实就是方波。它的本质就是通过方波中占空比的调节，实现对外部设备的控制。简单如台灯，复杂如电机都是这个做的。fpga输入的时钟信号是50M，每个时钟信号中高低电平的比率是50%对50%。那方波是什么样的呢？它的控制频率可能只有100，高低电平是的比率很有可能是10%对90%，那么这又该如何实现呢？

module pwm_test(clk, rst, pwm);

input clk;
input rst;
output pwm;


wire clk;
wire rst;
reg pwm;

reg[31:0] start;
reg[31:0] stop;

// pwm determinate the basic frequency of pwm

always@(posedge clk or negedge rst)
	if(!rst)
		start <= 32'd0;
	else
		start <= start + 32'd8590;
		
always@(posedge clk or negedge rst)
	if(!rst)
		stop <= 32'd429_496_730;
	else
		stop <= stop;

always@(posedge clk or negedge rst)
	if(!rst)
		pwm <= 1'b1;
	else if(start < stop)
		pwm <= 1'b0;
	else
		pwm <= 1'b1;
	
	
endmodule

        和之前的做法不同，今天我们首先给出verilog代码，再进一步分析。代码不长，主要的寄存器是start、stop和pwm。其中pwm是输出信号。

        首先来看start信号，rst复位的时候被设置为0，随后开始每次自增8590。至于为什么每次增加这个数字，目前未知。

        其次来看stop信号，rst复位的时候被设置位429_496_730，大约是4亿多。看样子没有越界。因为32位整数最大能表示的数值是40多亿。等rst被复位之后，这个数据就没有发生变化了。

        最后来看pwm信号，这也是最重要的部分。因为pwm连接的是一个蜂鸣器，低电平有效，所以复位后默认输出是1。接着，在start小于stop这段时间内，蜂鸣器有效，发出声音；但是start大于stop的这段时间，蜂鸣器无效，停止发出声音。看到这里，很多同学都以为verilog分析完了，这就是一个开始发声、停止发声的verilog代码，和pwm没有关系。但是，请大家重新看下这段代码，

always@(posedge clk or negedge rst)
	if(!rst)
		start <= 32'd0;
	else
		start <= start + 32'd8590;

        前面我们说过，32位数据表达的数值是有范围的。start不可能这样一直增加下去，等到了临界值之后，start又会重新小于stop，蜂鸣器又会发生，循环又开始了。这才是最终我们想要的效果。

        分析完了之后，就是分析8590、429496730这些数字是怎么来的。首先假设输入的clk频率是50M，假设最终pwm的控制频率是100，则单次pwm内的时钟数应该是50000000/100=500000。

        利用32位整数表达范围有限制的特定，对于2^32位整数来说，单次pwm里面的每一个clk相当于自增多少呢？那就是2^32/500000 = 8589.9，差不多就是8590，这正是start每次递增的数据。

        而429496730代表什么呢？因为每次递增8589.9，差不多需要迭代500000次才能越界，而429496730/8589.9=50000左右，差不多占了500000次的10%所有，因此这个数据主要是调节单次pwm调节内的占空比的。实际的计算公式应该是，target = 500000*ratio*8589.9。

        弄懂了原理之后，下面就是编译和pin绑定了。

        实验的时候因为没有示波器，所以用了蜂鸣器做了实验。同样的频率内，ratio越大，蜂鸣器越响；反之则越闷，大家可以试试。