Arduino學習4-Arduino軟件模擬PWM以及提高軟PWM效率

ID:114115 · 發表于 2016-4-14 03:00

注:
1.這篇文章斷斷續續寫了很久,畫圖技術也不精,難免錯漏,大家湊合看.有問題可以留言.
2.論壇排版把我的代碼縮進全弄沒了,大家將代碼粘貼到arduino編譯器,然后按ctrl+T重新格式化代碼格式即可看的舒服.

一、什么是PWM

PWM即Pulse Wavelength Modulation脈寬調制波，通過調整輸出信號占空比，從而達到改變輸出平均電壓的目的。相信Arduino的PWM大家都不陌生，在Arduino Duemilanove 2009中，有6個8位精度PWM引腳，分別是3, 5, 6, 9, 10, 11腳。我們可以使用analogWrite()控制PWM腳輸出頻率大概在500Hz的左右的PWM調制波。分辨率8位即2的8次方等于256級精度。但是有時候我們會覺得6個PWM引腳不夠用。比如我們做一個10路燈調光，就需要有10個PWM腳。Arduino Duemilanove 2009有13個數字輸出腳，如果它們都可以PWM的話，就能滿足條件了。于是本文介紹用軟件模擬PWM。

二、Arduino軟件模擬PWM

Arduino PWM調壓原理：PWM有好幾種方法。而Arduino因為電源和實現難度限制，一般使用周期恒定，占空比變化的單極性PWM。
通過調整一個周期里面輸出腳高/低電平的時間比（即是占空比）去獲得給一個用電器不同的平均功率。

如圖所示，假設PWM波形周期1ms（即1kHz），分辨率1000級。那么需要一個信號時間精度1ms/1000=1us的信號源，即1MHz。所以說，PWM的實現難點在于需要使用很高頻的信號源，才能獲得快速與高精度。下面先由一個簡單的PWM程序開始：

const int PWMPin = 13;
int bright = 0;
void setup()
{
pinMode(PWMPin, OUTPUT);
}
void loop()
{
if((bright++) == 255) bright = 0;
for(int i = 0; i < 255; i++)
{
if(i < bright)
{
digitalWrite(PWMPin, HIGH);
delayMicroseconds(30);
}
else
{
digitalWrite(PWMPin, LOW);
delayMicroseconds(30);
}
}
}

復制代碼

這是一個軟件PWM控制Arduino D13引腳的例子。只需要一塊Arduino即可測試此代碼。

程序解析：由for循環可以看出，完成一個PWM周期，共循環255次。
假設bright=100時候，在第0~100次循環中，i等于1到99均小于bright，于是輸出PWMPin高電平；
然后第100到255次循環里面，i等于100~255大于bright，于是輸出PWMPin低電平。無論輸出高低電平都保持30us。
那么說，如果bright=100的話，就有100次循環是高電平，155次循環是低電平。
如果忽略指令執行時間的話，這次的PWM波形占空比為100/255，如果調整bright的值，就能改變接在D13的LED的亮度。
這里設置了每次for循環之后，將bright加一，并且當bright加到255時歸0。所以，我們看到的最終效果就是LED慢慢變亮，到頂之后然后突然暗回去重新變亮。
這是最基本的PWM方法，也應該是大家想的比較多的想法。

然后介紹一個簡單一點的。思維風格完全不同。不過對于驅動一個LED來說，效果與上面的程序一樣。

const int PWMPin = 13;
int bright = 0;
void setup()
{
pinMode(PWMPin, OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(PWMPin, HIGH);
delayMicroseconds(bright * 30);
digitalWrite(PWMPin, LOW);
delayMicroseconds((255 - bright) * 30);
if((bright++) == 255) bright = 0;
}

復制代碼

可以看出，這段代碼少了一個For循環。它先輸出一個高電平，然后維持(bright*30)us。然后輸出一個低電平，維持時間((255-bright)*30)us。這樣兩次高低就能完成一個PWM周期。分辨率也是255。

三、多引腳PWM

Arduino本身已有PWM引腳并且運行起來不占CPU時間，所以軟件模擬一個引腳的PWM完全沒有實用意義。我們軟件模擬的價值在于：他能將任意的數字IO口變成PWM引腳。當一片Arduino要同時控制多個PWM，并且沒有其他重任務的時候，就要用軟件PWM了。

多引腳PWM有一種下面的方式：

int brights[14] = {0}; //定義14個引腳的初始亮度，可以隨意設置
int StartPWMPin = 0, EndPWMPin = 13; //設置D0~D13為PWM引腳
int PWMResolution = 255; //設置PWM占空比分辨率
void setup()
{
//定義所有IO端輸出
for(int i = StartPWMPin; i <= EndPWMPin; i++)
{
pinMode(i, OUTPUT);
//隨便定義個初始亮度,便于觀察
brights[ i ] = random(0, 255);
}
}
void loop()
{
//這for循環是為14盞燈做漸亮的。每次Arduino loop()循環，
//brights自增一次。直到brights=255時候，將brights置零重新計數。
for(int i = StartPWMPin; i <= EndPWMPin; i++)
{
if((brights[i]++) == PWMResolution) brights[i] = 0;
}
for(int i = 0; i <= PWMResolution; i++) //i是計數一個PWM周期
{
for(int j = StartPWMPin; j <= EndPWMPin; j++) //每個PWM周期均遍歷所有引腳
{
if(i < brights[j])
{
digitalWrite(j, HIGH);
delayMicroseconds(2);
}
else
{
digitalWrite(j, LOW);
delayMicroseconds(2);
}
}
}
}

復制代碼

這個程序比較簡單，但是能演示基本的PWM功能。我們看loop(){}段，里面第一個for循環是做亮度漸增的，跟上面程序一樣，每次循環自增，然后到255就置零重來。下面的for循環是外層循環組成一個PWM周期的，每個周期用255次循環完成。就是說，PWM精度255級。

看內層for循環，每個PWM周期都包含由StartPWMPin到EndPWMPin的遍歷。就是說，按照brights數組里面的元素去設置每個引腳的PWM值。由于每個PWM周期都要遍歷14個引腳，所以我們使用的delayMicroseconds); 延時要降低到2us左右。每個PWM周期就是2usx14只腳=28us左右，在加上代碼執行時間誤差。大概與原來的30us接近了。

四、提高PWM速度
由上面可以看出，多引腳PWM的周期大致為
每引腳PWM周期=每引腳判定后延時*要PWM的引腳數*每周期PWM判定次數(PWM精度)
上面的代碼不包括指令執行時間，大概是2us x 14 x 255≈7ms=一個周期，頻率142Hz。如果使用Arduino Mega 2560這樣的大板，我們或者會用更多的引腳，比如32個。周期就變成2us x 32 x 255≈16ms一個周期，頻率就是62Hz了。大概實驗可以看到，如果周期超過12ms以上，驅動LED我們會看到明顯的閃爍。所以必須降低三個值中的隨便一個加快PWM速度。

所以我們要更改PWM周期的話，我們將精度（代碼里面的變量：PWMResolution）降低就行，比如一般調整LED亮度的話，我們用64級精度就行。這樣速度就是2x32x64=4ms。就不會閃了。

ArduinoPWM以及提高PWM性能代碼例子打包下載.rar (1.09 KB, 下載次數: 47)

ID:296803 · 發表于 2018-4-21 08:18

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