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Arduino软件模拟PWM以及提高软PWM效率  

2011-09-25 17:07:49|  分类: 电子技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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Arduino软件模拟PWM以及提高软PWM效率



注: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.

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。
1.png 
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(PWMPinOUTPUT); 

void loop() 

if((bright++) == 255bright 0

for(int 0255i++) 

if(bright

digitalWrite(PWMPinHIGH); 
delayMicroseconds(30); 

else 

digitalWrite(PWMPinLOW); 
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(PWMPinOUTPUT); 

void loop() 

digitalWrite(PWMPinHIGH); 
delayMicroseconds(bright*30); 
digitalWrite(PWMPinLOW); 
delayMicroseconds((255 bright)*30); 
if((bright++) == 255bright 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[14] = {0}; //定义14个引脚的初始亮度,可以随意设置 
int StartPWMPin 0EndPWMPin 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 StartPWMPin<= EndPWMPini++) 

pinMode(iOUTPUT); 
//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 StartPWMPin<= EndPWMPini++) 

if((brights[i]++) == PWMResolutionbrights[i] = 0


for(int 0<= PWMResolutioni++) //i是计数一个PWM周期 

for(int StartPWMPin<= EndPWMPinj++) //每个PWM周期均遍历所有引脚 

if(brights[j]) 

digitalWrite(jHIGH); 
delayMicroseconds(2); 

else 

digitalWrite(jLOW); 
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。
未标题-1.png 
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。

上述例子打包下载:http://soft1.wmzhe.com/download/Ansifa2011/Arduino/ArduinoPWMCode.rar
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