【安路 EG4S20 版本】综合性实验设计与实现：实验11 PWM

实验设计目标

编写程序，使用FPGA产生脉冲调制（PWM）信号，且信号的周期和占空比可通过按键调节。
进一步巩固之前学习到的矩阵键盘、按键消抖的功能。

实验设计思路

PWM信号可用于控制步进电机的工作，图1.1是一个PWM信号的示意图。这个脉冲的周期为Period，宽度为1的那段时间称为脉冲宽度，占空比定义为高电平信号占整个脉冲周期的百分比，即：

图1.1 一个PWM信号
要产生这样的PWM信号，基本思想就是使用一个计数器，当计数值Cnt1小于脉冲宽度时，让PWM信号为1；当Cnt1大于等于脉冲宽度时，让PWM信号为0；当Cnt1的值等于Period-1时，计数器复位，Cnt1变为0。循环往复便产生了一个连续的PWM信号。
该PWM信号发生器系统由占空比、周期调整模块，PWM信号产生模块和数码管显示模块组成，图1.2是该系统的示意图。

图1.2 PWM信号发生器示意图
占空比、周期调整模块用于调整PWM信号的占空比Duty和周期Period，设置四个按键开关，分别控制占空比增加、占空比减少、周期增加和周期减少。输出信号Duty用于控制PWM波的占空比，取值范围为0~100；Count_P内存储了一个数值，用于表征周期Period。需要注意的是，当按下一次按键开关时，FPGA可能识别到多次操作或未识别到操作，所以，U1模块内增加“按键消抖模块”用于准确识别按键操作。
PWM信号产生模块用于产生PWM信号。Count_D内存储了一个数值，用于表征脉冲宽度，计算公式为

U2模块内有一个计数器Cnt1，按照前文提到的基本思想，比较Cnt1和Count_P、Count_D的数值，即可产生所需的PWM波。
数码管显示模块用于显示当前PWM信号的Duty、Count_P和Count_D，便于观察验证实验结果。因数码管个数限制，增加开关信号Count_D_Display与Count_P_Display用于切换数码管界面，这与第二篇的实验八中的思想相同。

功能模块图与输入输出引脚说明

该工程较包含顶层模块pwm与底层模块Duty_Period_Adjust_module、PWM_Generate_module、Digitron_NumDisplay_module，整个工程的模块功能图参考图1.2即可。下面介绍一下顶层模块各主要引脚的功能：

CLK：50MHz的时钟信号输入。
RSTn：复位输入信号。当RSTn为低电平时，PWM信号的周期、占空比分别置为5ms和50%。
col,row：键盘输入信号。因为只用了KEY0和KEY1两个按键，因此我们将row设置为4’b1110；KEY0对应col[0]，控制PWM的周期，每按一下，相应参数变化一次。KEY[1]对应col[1],控制PWM占空比，每按一下，相应参数变化一次。
Count_D_Display、Count_P_Display：拨动开关输入信号，高电平有效，分别控制数码管显示Count_D和Count_P。
Digitron_Out、DigitronCS_Out：分别为七段数码管的显示输出信号和扫描驱动信号。
PWM_LED_Out：U2模块产生的PWM信号，输出到LED灯，共有一位总线。因为PWM信号的平均直流值和占空比是成比例的，可以通过LED灯的亮度变化来定性观察PWM信号的占空比的变化情况。
PWM_EPI_Out：与（6）相同，也是所产生的PWM信号，输送到硬木课堂口袋实验平台中，定量观察PWM信号。

程序设计

（1）图1.3是截取自底层模块PWM_Generate_module的部分代码：

图1.3 PWM_Generate_module核心代码
○ 15：计算Count_D，见公式（1.2）。
○ 29-32：使用一个简易的计数器Cnt1，通过比较Cnt1与Count_D的值，决定信号PWM_Out电平的高或低。

FPGA管脚配置

以下是Anlogic FPGA的IO Constraint，CLK、DigitronCS_Out、Digitron_Out、col和row信号已经多次用到，不再赘述；复位输入信号RSTn与开发板上的SWO相连；Count_D_Display、Count_P_Display 输入信号分别与开发板上的SW1、SW2相连；输出信号PWM_LED_Out送到LED7；PWM_EPI_Out送到开发板上侧的I/O通道“T4”中，通过“T4”口送往硬木口袋实验平台。
set_pin_assignment { Count_D_Display } { LOCATION = A10; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { RSTn } { LOCATION = A9; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Count_P_Display } { LOCATION = B10; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { CLK } { LOCATION = R7; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { DigitronCS_Out[0] } { LOCATION = C9; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { DigitronCS_Out[1] } { LOCATION = B6; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { DigitronCS_Out[2] } { LOCATION = A5; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { DigitronCS_Out[3] } { LOCATION = A3; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[0] } { LOCATION = A4; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[1] } { LOCATION = A6; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[2] } { LOCATION = B8; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[3] } { LOCATION = E8; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[4] } { LOCATION = A7; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[5] } { LOCATION = B5; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[6] } { LOCATION = A8; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { Digitron_Out[7] } { LOCATION = C8; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { col[0] } { LOCATION = E11; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { col[1] } { LOCATION = D11; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { col[2] } { LOCATION = C11; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { col[3] } { LOCATION = F10; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { row[0] } { LOCATION = E10; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { row[1] } { LOCATION = C10; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { row[2] } { LOCATION = F9; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { row[3] } { LOCATION = D9; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { PWM_LED_Out } { LOCATION = F16; IOSTANDARD = LVCMOS33; }
set_pin_assignment { PWM_EPI_Out } { LOCATION = T4; IOSTANDARD = LVCMOS33; }

实验结果

本实验使用硬木课堂口袋实验平台观察PWM波形，使用LED7定性观察PWM波的占空比变化情况，使用数码管显示Duty、Count_D和Count_P的值。表1.1和表1.2分别是在调节PWM波时信号Duty和信号Count_P可能出现的数值，十六进制数值即数码管上所显示的数值,表1.2还列出了相应的PWM波的频率。
表1.1 Duty信号数值

表1.2 Count_P信号数值

图1.6是使用EPI观察到的初始状态时的PWM波形。当按下按键KEY0和KEY1后，波形、LED0的亮度、数码管上的数值都会有一定变化，请结合程序及表1.1、表1.2自行验证。