实验 03：PWM 呼吸灯

🛒 开发板购买: EK303 GW1N FPGA核心板

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一、实验目的

1. 理解 PWM（脉宽调制） 控制 LED 亮度的原理：平均电压 = 占空比 × VDD。
2. 掌握 FPGA 中三角波发生器的设计方法，用于占空比平滑变化。
3. 学习 assign 组合逻辑和 always 时序逻辑的混合使用。
4. 理解人眼视觉暂留效应——PWM 频率 >100Hz 时人眼感觉不到闪烁，只感受到等效亮度变化。

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二、实验过程

2.1 硬件连接

使用任意一个 LED（如 Pin 8），其余保持不变。

2.2 设计思路

PWM 原理：

PCLK ──→ [PWM周期计数器 0→255] ──→ 比较器 ──→ LED
 │
 [占空比发生器 0%→100%→0%]

• 每个 PWM 周期（256 个时钟节拍）中，LED 导通的时间占比 = 占空比。
• 占空比 0% → LED 全灭；100% → LED 最亮。
• 占空比用三角波平滑变化，形成"呼吸"效果。

呼吸周期：占空比从 0% 渐变到 100% 再回到 0%，约 4 秒一个完整呼吸周期。

2.3 Verilog 模块设计

模块名：pwm_breath

端口：

端口	方向	位宽	说明
clk_50m	input	1	50MHz
led	output	1	PWM 输出

内部信号：

信号	位宽	说明
pwm_cnt	8	PWM 周期计数器，0→255 循环 (PWM 频率 ≈ 195kHz)
duty	8	当前占空比，0→255→0 三角波渐变
duty_dir	1	占空比方向：0=递增，1=递减
duty_timer	17	占空比变化定时器，每 2.6ms 改变一次占空比

逻辑描述：

1. pwm_cnt 每个时钟 +1，0→255 自由运行，PWM 频率 ≈ 50M÷256 ≈ 195kHz（远超 100Hz）。
2. duty_timer 每 2.6ms 触发一次占空比更新。
3. duty 从 0 递增到 255，再递减到 0，循环往复（三角波）。
4. assign led = (pwm_cnt < duty) — 组合逻辑比较，当前计数值小于占空比时 LED 亮。

2.4 引脚约束

同实验 01，LED 约束到 Pin 8。

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三、实验现象

阶段	占空比	LED 亮度	持续时间
渐亮	0% → 100%	灭 → 最亮	~2 秒
渐暗	100% → 0%	最亮 → 灭	~2 秒
循环	...	亮暗交替	持续

LED 如呼吸般明暗交替，亮度变化丝滑连续。肉眼完全感觉不到 PWM 频闪。

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四、掌握知识点

知识点	说明
PWM 调制	周期固定，调节占空比控制等效输出电压
assign 连续赋值	组合逻辑实时比较 pwm_cnt < duty
三角波发生器	duty 递增到顶后方向翻转递减
视觉暂留	PWM 频率 >100Hz 人眼无闪烁感
参数化设计	修改 localparam 可调呼吸速度和 PWM 分辨率
时序+组合混合	always 算控制量，assign 驱动输出

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五、思考题

1. 如果把 PWM 分辨率从 8 位改成 10 位（0~1023），需要改哪些地方？
2. 为什么 PWM 频率不能太低（比如 50Hz）？
3. 如何实现不是对称呼吸——比如亮的时间长、暗的时间短？
4. 能同时让 3 个 LED 以不同的呼吸相位工作吗？如何实现？

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附录：源码清单

top.v

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// top.v - PWM呼吸灯 (PWM Breath LED)
// 芯片: GW1N-LV9LQ144C6/I5
// 时钟: 50MHz (Pin 98)
// LED: Pin 8
// 功能: PWM调制LED亮度，三角波占空比形成"呼吸"效果
// =============================================================================

module pwm_breath (
    input  wire clk_50m,   // 50MHz 系统时钟
    output wire led        // PWM 输出 (组合逻辑驱动)
);

    // =========================================================================
    // 参数定义
    // PWM 分辨率: 8位 (0~255)
    // PWM 频率: 50MHz / 256 ≈ 195kHz (>100Hz, 人眼无闪烁)
    //
    // 呼吸周期: 完整一次"渐亮→渐暗"约 4 秒
    //   渐亮阶段: 0%→100% 占空比, 约2秒, 256步, 每步约7.81ms
    //   渐暗阶段: 100%→0% 占空比, 约2秒, 256步, 每步约7.81ms
    //   每步计数值: 50MHz × 7.81ms ≈ 390,625 → 阈值 390,624
    //   (19位计数器: 2^19 = 524,288 > 390,625)
    // =========================================================================
    localparam PWM_WIDTH     = 8;                   // PWM位宽
    localparam PWM_MAX       = (1 << PWM_WIDTH) - 1; // 255
    localparam DUTY_STEP_MAX = 19'd390_624;          // 占空比变化间隔 (~7.81ms)

    // =========================================================================
    // 内部信号
    // =========================================================================
    reg  [PWM_WIDTH-1:0] pwm_cnt;      // PWM周期计数器 (0→255循环)
    reg  [PWM_WIDTH-1:0] duty;         // 当前占空比 (0→255→0三角波)
    reg                  duty_dir;     // 占空比方向: 0=递增(渐亮), 1=递减(渐暗)
    reg  [18:0]          duty_timer;   // 占空比变化定时器 (0→390,624)

    // =========================================================================
    // 1. PWM 周期计数器: 每个时钟+1, 0→255 自由运行
    //    PWM频率 = 50MHz / 256 ≈ 195.3kHz
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (pwm_cnt == PWM_MAX)
            pwm_cnt <= {PWM_WIDTH{1'b0}};
        else
            pwm_cnt <= pwm_cnt + 1'b1;
    end

    // =========================================================================
    // 2. 占空比变化定时器: 每 ~7.81ms 产生一次更新脉冲
    // =========================================================================
    wire duty_tick;
    assign duty_tick = (duty_timer == DUTY_STEP_MAX);

    always @(posedge clk_50m) begin
        if (duty_tick)
            duty_timer <= 19'd0;
        else
            duty_timer <= duty_timer + 1'b1;
    end

    // =========================================================================
    // 3. 占空比三角波发生器 (在 duty_tick 脉冲时更新)
    //
    //    渐亮阶段 (duty_dir=0): duty 从 0 递增到 255
    //    渐暗阶段 (duty_dir=1): duty 从 255 递减到 0
    //
    //    边界处理:
    //    - duty==254 且递增 → duty=255, 翻转方向为递减
    //    - duty==1   且递减 → duty=0,   翻转方向为递增
    //    - 中间值    → duty±1 正常增减
    // =========================================================================
    always @(posedge clk_50m) begin
        if (duty_tick) begin
            if (!duty_dir) begin
                // ---- 渐亮阶段: 占空比递增 ----
                if (duty == PWM_MAX - 1) begin
                    duty     <= PWM_MAX;
                    duty_dir <= 1'b1;           // 到达最大值，翻转为递减
                end else begin
                    duty <= duty + 1'b1;
                end
            end else begin
                // ---- 渐暗阶段: 占空比递减 ----
                if (duty == 1) begin
                    duty     <= {PWM_WIDTH{1'b0}};
                    duty_dir <= 1'b0;           // 到达最小值，翻转为递增
                end else begin
                    duty <= duty - 1'b1;
                end
            end
        end
    end

    // =========================================================================
    // 4. PWM 输出: 组合逻辑比较
    //    当 PWM 计数器 < 当前占空比时 LED 亮
    //    例如: duty=128 (50%), 则 pwm_cnt 在 0~127 期间 LED=1, 128~255 期间 LED=0
    //    等效亮度 = 占空比 / 256 × 100%
    // =========================================================================
    assign led = (pwm_cnt < duty);

    // =========================================================================
    // 上电初始值
    // =========================================================================
    initial begin
        duty     = {PWM_WIDTH{1'b0}};  // 从灭开始
        duty_dir = 1'b0;               // 先递增(渐亮)
    end

endmodule