06 PWM

一、PWM 概述

1.1 pwm 是什么

脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

要想使用 pwm 还需了解 PWM 的相关参数：

1. PWM 的频率：是指 1 秒钟内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数（一个周期），也就是说一秒钟 PWM 有多少个周期单位：Hz

2. PWM 的周期： T=1/f 周期=1/频率例：如果频率为 50Hz ，也就是说一个周期是 20ms，那么一秒钟就有 50 次 PWM 周期

3. PWM 的占空比：是一个脉冲周期内，高电平的时间占整个周期时间的比例单位： % (0%-100%) 例：一个周期 10ms,高电平占 8ms，那么此占空比就是 8/10=80%

1.2 pwm 原理

单片机的 IO 引脚输出的是数字信号，且只能输出 1 和 0，那如果 TTL 电平中，高电平为 5V，低电平为 0V，但是我们想要输出不同的模拟电压，比如输出 3.75V 应该怎么操作？

此时要用到 PWM，通过改变 IO 口输出方波的占空比，得到不同的模拟电压。3.75/5=0.75 ，也就是高电平时间占整个周期的 75%，即占空比为 75%，可得到模拟电压 3.75V。

注意上图中蓝线，代表着输出的模拟电压，占空比越大，则模拟电压也越大。

1.3 pwm 通道说明

1. 查阅 GPIO 使用注意事项 - luatos@Air8000 - 合宙文档中心内的 GPIO 复用表，可知 Air8000 的实际可用 PWM 通道有 4 个(0/1/2/4), 4 个通道可单独使用,互不影响。3/5 已经被底层使用。

二、演示功能概述

2.1 本教程实现的功能定义：

本章节分别用两个示例演示了如何使用 Air8000 的 PWM 功能

1. 控制 Air8000 核心板 pwm4 通道的 pwm 输出，设置不同的占空比，让核心板上的红灯有不同的亮度。

2. 使用 Air8000 核心板的 pwm4 通道，控制核心板上红灯来演示呼吸灯效果。

三、准备硬件环境

参考：Air8000 硬件环境清单，准备好硬件环境。

3.1 Air8000 核心板

四、准备软件环境

4.1 文章内容应用

在开始实践本示例之前，先筹备一下软件环境：

1. 烧录工具：Luatools 工具；

2. 内核固件：https://gitee.com/openLuat/LuatOS/tree/master/module/Air8000/core

3. 脚本文件：https://gitee.com/openLuat/LuatOS/tree/master/module/Air8000/demo/pwm

4. IO 复用工具：https://docs.openluat.com/air8000/common/luatio/?h=luatio

5. LuatOS 运行所需要的 lib 文件：使用 Luatools 烧录时，勾选添加默认 lib 选项，使用默认 lib 脚本文件。

准备好软件环境之后，接下来查看如何烧录项目文件到 Air8000 核心板中，将本篇文章中演示使用的项目文件烧录到 Air8000 开发板中。

4.2 API 介绍

这里仅介绍本篇文档所使用的 API，详情请查看：API 索引 - luatos@air8000 - 合宙模组资料中心

pwm.open

功能：开启指定的 PWM 通道，并配置信号的频率和占空比。

gpio.setup(pin, mode, pull, irq_type, alt)

该函数用于 GPIO 使用前的初始化，把 GPIO 设置为输入模式，输出模式，是否配中断处理。

4.3 PWM 的 GPIO 配置

注：demo 中已有配置好的 pins_Air8000.json 文件，测试 demo 时无需配置直接烧录即可。

下面演示为配置流程，结合原理图引脚指示图，如下图所示，板载红色 LED 由 PIN24 GPIO21 控制：

结合 IO 复用表，配置 PIN24，GPIO21 FUNC5 PWM4 通道。

具体 gpio 配置，参考如下：

1. 按照 LuatIO 工具使用说明下载 LuatIO 软件，打开后选择为 Air8000：

2. 结合本篇教程需求，需要设置 PIN24 为 PWM4 功能：

3. 设置完毕后点击保存，烧录时需要将保存的 pins_Air8000.json 文件也一并烧录进 Air8000 中：

五、代码示例介绍

5.1 PWM 输出

本例使用 Air8000 核心板上的 NetLed(网络状态灯)，pwm 通道 id=4，

打开 pwm4 通道的 pwm 输出，设置不同的占空比，小灯会有不同的亮度

5.1.1 代码介绍

-- LuaTools需要PROJECT和VERSION这两个信息
PROJECT = "pwmdemo"
VERSION = "1.0.1"

--[[
注意：Air8000_V2007及以上固件复用方式已经改为使用LuatIO工具。
本demo也已经使用LuatIO方式进行复用，代码中仅初始化PWM所用IO，没有进行复用操作。
运行本demo需要将pins_Air8000.json文件一并烧录进Air8000中，才能正常使用PWM功能。
LuatIO工具使用方法+下载地址：https://docs.openluat.com/air8000/common/luatio/?h=luatio
]]

log.info("main", PROJECT, VERSION)

-- sys库是标配
_G.sys = require("sys")

--添加硬狗防止程序卡死
if wdt then
    wdt.init(9000) -- 初始化watchdog设置为9s
    sys.timerLoopStart(wdt.feed, 3000)--3s喂一次狗
end

local PWM_ID = 4  -- 代码中使用pwm通道4，如需使用其他pwm通道请查看Air8000/pwm使用指南/pwm通道说明。
sys.taskInit(function()

    -- 设置演示所用的IO GPIO21 且初始化电平为低
    gpio.setup(21, 0)

    log.info("pwm", "ch", PWM_ID)
    while true do
        -- 开启pwm通道0，设置脉冲频率为1kHz，分频精度为1000，占空比为10/1000=1% 持续输出
        pwm.open(PWM_ID, 1000, 10, 0, 1000) -- 小灯微微发光
        log.info("pwm", "当前分频精度1000，占空比1%")
        sys.wait(1000)
        -- 开启pwm通道0，设置脉冲频率为1kHz，分频精度为256，占空比为128/256=50% 持续输出
        pwm.open(PWM_ID, 1000, 128, 0, 256) -- 小灯中等亮度
        log.info("pwm", "当前分频精度256，占空比50%")
        sys.wait(1000)
        -- 开启pwm通道0，设置脉冲频率为1kHz，分频精度为100，占空比为100/100=100% 持续输出
        pwm.open(PWM_ID, 1000, 100, 0, 100) -- 小灯很高亮度
        log.info("pwm", "当前分频精度100，占空比100%")
        sys.wait(1000)
    end
end)

-- 用户代码已结束---------------------------------------------
-- 结尾总是这一句
sys.run()
-- sys.run()之后后面不要加任何语句!!!!!

5.1.2 效果展示

5.2 呼吸灯效果

本例使用 Air8000 核心板上的 NetLed(网络状态灯)，pwm 通道 id=4 来查看呼吸灯效果

呼吸灯效果就是小灯由亮到暗逐渐变化，很有节奏感地一起一伏，”感觉，好像人在呼吸“，我们可以通过不断调高占空比让小灯一点点亮起，再不断调低占空比让小灯一点点熄灭从而达到此效果。

5.2.1 代码介绍

-- LuaTools需要PROJECT和VERSION这两个信息
PROJECT = "pwmdemo"
VERSION = "1.0.1"

--[[
注意：Air8000_V2007及以上固件复用方式已经改为使用LuatIO工具。
本demo也已经使用LuatIO方式进行复用，代码中仅初始化PWM所用IO，没有进行复用操作。
运行本demo需要将pins_Air8000.json文件一并烧录进Air8000中，才能正常使用PWM功能。
LuatIO工具使用方法+下载地址：https://docs.openluat.com/air8000/common/luatio/?h=luatio
]]

log.info("main", PROJECT, VERSION)

-- sys库是标配
_G.sys = require("sys")

--添加硬狗防止程序卡死
if wdt then
    wdt.init(9000) -- 初始化watchdog设置为9s
    sys.timerLoopStart(wdt.feed, 3000)--3s喂一次狗
end

local PWM_ID = 4  -- 代码中使用pwm通道4，如需使用其他pwm通道请查看Air8000/pwm使用指南/pwm通道说明。
sys.taskInit(function()

    -- 设置演示所用的IO GPIO21 且初始化电平为低
    gpio.setup(21, 0)

    log.info("pwm", "ch", PWM_ID)
    while 1 do
        -- 仿呼吸灯效果
        log.info("pwm", ">>>>>")
        -- 占空比从90%（i=10时）到9%（i=1时）
        for i = 10,1,-1 do
            pwm.open(PWM_ID, 1000, i*9) -- 频率1000hz, 占空比0-100
            sys.wait(100 + i*10)
        end
        -- 占空比从10%增加到90%
        for i = 10,1,-1 do
            pwm.open(PWM_ID, 1000, 100 - i*9)
            sys.wait(100 + i*10)
        end
        sys.wait(2000)
    end
end)

-- 用户代码已结束---------------------------------------------
-- 结尾总是这一句
sys.run()
-- sys.run()之后后面不要加任何语句!!!!!

5.2.2 效果展示

外接发光二极管，效果如下图所示：

六、总结

本教程旨在通过合宙开发板展示 PWM（脉冲宽度调制）输出呼吸灯的实现方法，帮助读者深入理解如何在项目中应用 PWM 技术。PWM 作为一种灵活且高效的信号调制手段，在电气设备的性能控制和调节中发挥着重要作用。通过精确控制信号的占空比，PWM 能够实现电能的有效管理。

PWM 的主要应用：

电机控制：通过调节电机供电的 PWM 信号，控制电机转速和扭矩。
灯光调光：用于调节 LED 灯的亮度，改变状态的快慢来实现不同亮度效果。
音频信号生成：在音频电子设备中生成不同的声音频率和音量。
加热控制：在加热元件中使用 PWM 来调整输出功率，从而实现精确的温度控制。

PWM 的优点：

高效性：PWM 有效降低能量损耗，因为其开关操作使功率元件始终处于全导通或全关闭状态。
控制精度高：可以通过调节占空比进行非常精确的控制。
实现简便：可以通过简单的数字电路或微控制器轻松实现。

PWM 的缺点：

高频噪声：由于快速切换，PWM 信号可能产生高频噪声，需要滤波以减小干扰。
硬件要求：某些应用需要特定的硬件支持，如支持 PWM 输入的微控制器或电路。

七、常见问题

如何验证所产生的 PWM 信号？

可以使用示波器检测 PWM 输出，查看频率、占空比和波形的完整性。确保波形按照设计参数正常工作，必要时进行调整。

PWM 的信号的频率如何选择？

频率的选择通常取决于具体应用，根据自己的项目需要来选择: （1）电机控制:常用频率为 1 kHz 到 20 kHz，以确保足够的反应速度和控制精度。（2）LED 调光：频率通常在 1 kHz 以上，以避免人眼感知到闪烁。（3）音频信号：频率设置应高于音频信号的最高频率（例如，至少为 20 kHz）。

什么是占空比，如何计算 PWM 的占空比？

占空比即是一个脉冲周期内，高电平的时间占整个周期例如，如果 PWM 信号的高电平时间为 2 ms，周期为 10 ms，占空比 = (2 / 10) × 100 = 20%。