Arduino学习笔记A4 - Arduino软件模拟PWM以及提高软PWM效率
本帖最后由 Ansifa 于 2014-6-1 22:23 编辑Arduino软件模拟PWM以及提高软PWM效率
注:
1.这篇文章断断续续写了很久,画图技术也不精,难免错漏,大家凑合看.有问题可以留言.
2.论坛排版把我的代码缩进全弄没了,大家将代码粘贴到arduino编译器,然后按ctrl+T重新格式化代码格式即可看的舒服.
一、什么是PWM
PWM即Pulse Wavelength Modulation脉宽调制波，通过调整输出信号占空比，从而达到改变输出平均电压的目的。相信Arduino的PWM大家都不陌生，在Arduino Duemilanove 2009中，有6个8位精度PWM引脚，分别是3, 5, 6, 9, 10, 11脚。我们可以使用analogWrite()控制PWM脚输出频率大概在500Hz的左右的PWM调制波。分辨率8位即2的8次方等于256级精度。但是有时候我们会觉得6个PWM引脚不够用。比如我们做一个10路灯调光，就需要有10个PWM脚。Arduino Duemilanove 2009有13个数字输出脚，如果它们都可以PWM的话，就能满足条件了。于是本文介绍用软件模拟PWM。
二、Arduino软件模拟PWM
Arduino PWM调压原理：PWM有好几种方法。而Arduino因为电源和实现难度限制，一般使用周期恒定，占空比变化的单极性PWM。
通过调整一个周期里面输出脚高/低电平的时间比（即是占空比）去获得给一个用电器不同的平均功率。
如图所示，假设PWM波形周期1ms（即1kHz），分辨率1000级。那么需要一个信号时间精度1ms/1000=1us的信号源，即1MHz。所以说，PWM的实现难点在于需要使用很高频的信号源，才能获得快速与高精度。下面先由一个简单的PWM程序开始：
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);
}
}
}
这是一个软件PWM控制Arduino D13引脚的例子。只需要一块Arduino即可测试此代码。
程序解析：由for循环可以看出，完成一个PWM周期，共循环255次。
假设bright=100时候，在第0~100次循环中，i等于1到99均小于bright，于是输出PWMPin高电平；
然后第100到255次循环里面，i等于100~255大于bright，于是输出PWMPin低电平。无论输出高低电平都保持30us。
那么说，如果bright=100的话，就有100次循环是高电平，155次循环是低电平。
如果忽略指令执行时间的话，这次的PWM波形占空比为100/255，如果调整bright的值，就能改变接在D13的LED的亮度。
这里设置了每次for循环之后，将bright加一，并且当bright加到255时归0。所以，我们看到的最终效果就是LED慢慢变亮，到顶之后然后突然暗回去重新变亮。
这是最基本的PWM方法，也应该是大家想的比较多的想法。
然后介绍一个简单一点的。思维风格完全不同。不过对于驱动一个LED来说，效果与上面的程序一样。
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;
}
可以看出，这段代码少了一个For循环。它先输出一个高电平，然后维持(bright*30)us。然后输出一个低电平，维持时间((255-bright)*30)us。这样两次高低就能完成一个PWM周期。分辨率也是255。
三、多引脚PWM
Arduino本身已有PWM引脚并且运行起来不占CPU时间，所以软件模拟一个引脚的PWM完全没有实用意义。我们软件模拟的价值在于：他能将任意的数字IO口变成PWM引脚。当一片Arduino要同时控制多个PWM，并且没有其他重任务的时候，就要用软件PWM了。
多引脚PWM有一种下面的方式：
int brights = {0}; //定义14个引脚的初始亮度，可以随意设置
int StartPWMPin = 0, EndPWMPin = 13; //设置D0~D13为PWM引脚
int PWMResolution = 255; //设置PWM占空比分辨率
void setup()
{
//定义所有IO端输出
for(int i = StartPWMPin; i <= EndPWMPin; i++)
{
pinMode(i, OUTPUT);
//随便定义个初始亮度,便于观察
brights[ i ] = random(0, 255);
}
}
void loop()
{
//这for循环是为14盏灯做渐亮的。每次Arduino loop()循环，
//brights自增一次。直到brights=255时候，将brights置零重新计数。
for(int i = StartPWMPin; i <= EndPWMPin; i++)
{
if((brights++) == PWMResolution) brights = 0;
}
for(int i = 0; i <= PWMResolution; i++) //i是计数一个PWM周期
{
for(int j = StartPWMPin; j <= EndPWMPin; j++) //每个PWM周期均遍历所有引脚
{
if(i < brights)
{
digitalWrite(j, HIGH);
delayMicroseconds(2);
}
else
{
digitalWrite(j, LOW);
delayMicroseconds(2);
}
}
}
}
这个程序比较简单，但是能演示基本的PWM功能。我们看loop(){}段，里面第一个for循环是做亮度渐增的，跟上面程序一样，每次循环自增，然后到255就置零重来。下面的for循环是外层循环组成一个PWM周期的，每个周期用255次循环完成。就是说，PWM精度255级。
看内层for循环，每个PWM周期都包含由StartPWMPin到EndPWMPin的遍历。就是说，按照brights数组里面的元素去设置每个引脚的PWM值。由于每个PWM周期都要遍历14个引脚，所以我们使用的delayMicroseconds); 延时要降低到2us左右。每个PWM周期就是2usx14只脚=28us左右，在加上代码执行时间误差。大概与原来的30us接近了。
四、提高PWM速度
由上面可以看出，多引脚PWM的周期大致为
每引脚PWM周期=每引脚判定后延时*要PWM的引脚数*每周期PWM判定次数(PWM精度)
上面的代码不包括指令执行时间，大概是2us x 14 x 255≈7ms=一个周期，频率142Hz。如果使用Arduino Mega 2560这样的大板，我们或者会用更多的引脚，比如32个。周期就变成2us x 32 x 255≈16ms一个周期，频率就是62Hz了。大概实验可以看到，如果周期超过12ms以上，驱动LED我们会看到明显的闪烁。所以必须降低三个值中的随便一个加快PWM速度。
所以我们要更改PWM周期的话，我们将精度（代码里面的变量：PWMResolution）降低就行，比如一般调整LED亮度的话，我们用64级精度就行。这样速度就是2x32x64=4ms。就不会闪了。
:lol学习了·· 实际上应该慢好多。
因为 digitalWrite 非常耗时，这是我对Arduino不爽的地方。
牺牲 运行速度 换取 编写速度，arduino的IO操作特点。 要好好學習
THX 有辨法透過軟體pwm控制多個伺服電機麻？
我想在在一塊arduino 上控制超過8個servo 软PWM+74HC595=屌爆了！ 重新复习了一次PWN波，谢谢楼主分享 请教各位大师，用Arduino自带的PWM接口，使用analogWrite输出，有办法降低LED闪烁吗？ ewx_boy 发表于 2012-10-25 22:35 static/image/common/back.gif
请教各位大师，用Arduino自带的PWM接口，使用analogWrite输出，有办法降低LED闪烁吗？
降低delay值，或者改成delayMicroseconds
用PORTD=0x01之类的直接驱动语句代替digitalWrite
降低PWM分辨率，比如原来255级分辨率会闪烁，改成64就好了 Ansifa 发表于 2012-10-25 22:38 static/image/common/back.gif
降低delay值，或者改成delayMicroseconds
用PORTD=0x01之类的直接驱动语句代替digitalWrite
降低PWM分辨 ...
谢谢版主回复，
在下刚开始接触，小白中，多问问，
1、PORTD=0x01有没有详细的讲解，或看哪方面知识？
2、降低分辨率到64好像简单些，具体是哪个语句？ 我试了这个程序，为什么灯是一闪一闪的？ zhangsiyan12134 发表于 2012-7-4 04:28 static/image/common/back.gif
软PWM+74HC595=屌爆了！
为啥呀？难道软PWM还能透过595到输出脚上去吗？ 为什么要delay？计算好指令运行的时间，提高扫描的频度岂不是更好？delay不是让控制器白白的浪费吗？没看懂，求讲解。。。。 长长牙齿 发表于 2012-12-3 14:26 static/image/common/back.gif
为啥呀？难道软PWM还能透过595到输出脚上去吗？
可以的哦！具體參見ShiftPWM庫
我做的8*8RGB LED矩陣就是用的這個原理http://v.youku.com/v_show/id_XNDE2MjM0Nzc2.html ewx_boy 发表于 2012-10-25 22:40 static/image/common/back.gif
谢谢版主回复，
在下刚开始接触，小白中，多问问，
1、PORTD=0x01有没有详细的讲解，或看哪方面知识？
...
同求怎么配置10k频率的PWM波？？？？？？？？？？？？？