標(biāo)題: Arduino學(xué)習(xí)4-Arduino軟件模擬PWM以及提高軟PWM效率 [打印本頁]
作者: 51黑學(xué)者    時(shí)間: 2016-4-14 03:00
標(biāo)題: Arduino學(xué)習(xí)4-Arduino軟件模擬PWM以及提高軟PWM效率
注:
1.這篇文章斷斷續(xù)續(xù)寫了很久,畫圖技術(shù)也不精,難免錯(cuò)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(jìn)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(diào)制波，通過調(diào)整輸出信號占空比，從而達(dá)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(gè)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(diào)制波。分辨率8位即2的8次方等于256級精度。但是有時(shí)候我們會覺得6個(gè)PWM引腳不夠用。比如我們做一個(gè)10路燈調(diào)光，就需要有10個(gè)PWM腳。Arduino Duemilanove 2009有13個(gè)數(shù)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(diào)壓原理：PWM有好幾種方法。而Arduino因?yàn)殡娫春蛯?shí)現(xiàn)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(diào)整一個(gè)周期里面輸出腳高/低電平的時(shí)間比（即是占空比）去獲得給一個(gè)用電器不同的平均功率。

如圖所示，假設(shè)PWM波形周期1ms（即1kHz），分辨率1000級。那么需要一個(gè)信號時(shí)間精度1ms/1000=1us的信號源，即1MHz。所以說，PWM的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)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(gè)簡單的PWM程序開始：
  1.     const int PWMPin = 13;
  2.     int bright = 0;
  3.     void setup()
  4.     {
  5.         pinMode(PWMPin, OUTPUT);
  6.     }
  7.     void loop()
  8.     {
  9.         if((bright++) == 255) bright = 0;
  10.      
  11.         for(int i = 0; i < 255; i++)
  12.         {
  13.             if(i < bright)
  14.             {
  15.                 digitalWrite(PWMPin, HIGH);
  16.                 delayMicroseconds(30);
  17.             }
  18.             else
  19.             {
  20.                 digitalWrite(PWMPin, LOW);
  21.                 delayMicroseconds(30);
  22.             }
  23.         }
  24.     }
復(fù)制代碼

這是一個(gè)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(huán)可以看出，完成一個(gè)PWM周期，共循環(huán)255次。
假設(shè)bright=100時(shí)候，在第0~100次循環(huán)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(huán)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(huán)是高電平，155次循環(huán)是低電平。
如果忽略指令執(zhí)行時(shí)間的話，這次的PWM波形占空比為100/255，如果調(diào)整bright的值，就能改變接在D13的LED的亮度。
這里設(shè)置了每次for循環(huán)之后，將bright加一，并且當(dāng)bright加到255時(shí)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(yīng)該是大家想的比較多的想法。

然后介紹一個(gè)簡單一點(diǎn)的。思維風(fēng)格完全不同。不過對于驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED來說，效果與上面的程序一樣。
  1.     const int PWMPin = 13;
  2.     int bright = 0;
  3.     void setup()
  4.     {
  5.         pinMode(PWMPin, OUTPUT);
  6.     }
  7.     void loop()
  8.     {
  9.         digitalWrite(PWMPin, HIGH);
  10.         delayMicroseconds(bright * 30);
  11.         digitalWrite(PWMPin, LOW);
  12.         delayMicroseconds((255 - bright) * 30);
  13.         if((bright++) == 255) bright = 0;
  14.     }
復(fù)制代碼

可以看出，這段代碼少了一個(gè)For循環(huán)。它先輸出一個(gè)高電平，然后維持(bright*30)us。然后輸出一個(gè)低電平，維持時(shí)間((255-bright)*30)us。這樣兩次高低就能完成一個(gè)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(yùn)行起來不占CPU時(shí)間，所以軟件模擬一個(gè)引腳的PWM完全沒有實(shí)用意義。我們軟件模擬的價(jià)值在于：他能將任意的數(shù)字IO口變成PWM引腳。當(dāng)一片Arduino要同時(shí)控制多個(gè)PWM，并且沒有其他重任務(wù)的時(shí)候，就要用軟件PWM了。

多引腳PWM有一種下面的方式：
  1.     int brights[14] = {0}; //定義14個(gè)引腳的初始亮度，可以隨意設(shè)置
  2.     int StartPWMPin = 0, EndPWMPin = 13; //設(shè)置D0~D13為PWM引腳
  3.     int PWMResolution = 255; //設(shè)置PWM占空比分辨率
  4.      
  5.     void setup()
  6.     {
  7.         //定義所有IO端輸出
  8.         for(int i = StartPWMPin; i <= EndPWMPin; i++)
  9.         {
  10.             pinMode(i, OUTPUT);
  11.             //隨便定義個(gè)初始亮度,便于觀察
  12.             brights[ i ] = random(0, 255);
  13.         }
  14.     }
  15.     void loop()
  16.     {
  17.         //這for循環(huán)是為14盞燈做漸亮的。每次Arduino loop()循環(huán)，
  18.         //brights自增一次。直到brights=255時(shí)候，將brights置零重新計(jì)數(shù)。
  19.         for(int i = StartPWMPin; i <= EndPWMPin; i++)
  20.         {
  21.             if((brights[i]++) == PWMResolution) brights[i] = 0;
  22.         }
  23.      
  24.         for(int i = 0; i <= PWMResolution; i++) //i是計(jì)數(shù)一個(gè)PWM周期
  25.         {
  26.             for(int j = StartPWMPin; j <= EndPWMPin; j++) //每個(gè)PWM周期均遍歷所有引腳
  27.             {
  28.                 if(i < brights[j])
  29.                 {
  30.                     digitalWrite(j, HIGH);
  31.                     delayMicroseconds(2);
  32.                 }
  33.                 else
  34.                 {
  35.                     digitalWrite(j, LOW);
  36.                     delayMicroseconds(2);
  37.                 }
  38.             }
  39.         }
  40.     }
復(fù)制代碼

這個(gè)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(gè)for循環(huán)是做亮度漸增的，跟上面程序一樣，每次循環(huán)自增，然后到255就置零重來。下面的for循環(huán)是外層循環(huán)組成一個(gè)PWM周期的，每個(gè)周期用255次循環(huán)完成。就是說，PWM精度255級。

看內(nèi)層for循環(huán)，每個(gè)PWM周期都包含由StartPWMPin到EndPWMPin的遍歷。就是說，按照brights數(shù)組里面的元素去設(shè)置每個(gè)引腳的PWM值。由于每個(gè)PWM周期都要遍歷14個(gè)引腳，所以我們使用的delayMicroseconds); 延時(shí)要降低到2us左右。每個(gè)PWM周期就是2usx14只腳=28us左右，在加上代碼執(zhí)行時(shí)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(shí)*要PWM的引腳數(shù)*每周期PWM判定次數(shù)(PWM精度)
上面的代碼不包括指令執(zhí)行時(shí)間，大概是2us x 14 x 255≈7ms=一個(gè)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(gè)。周期就變成2us x 32 x 255≈16ms一個(gè)周期，頻率就是62Hz了。大概實(shí)驗(yàn)可以看到，如果周期超過12ms以上，驅(qū)動(dòng)LED我們會看到明顯的閃爍。所以必須降低三個(gè)值中的隨便一個(gè)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(diào)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(shù): 47)


作者: mango_lin    時(shí)間: 2018-4-21 08:18
PDE文檔怎么打開?



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