張高興的 .NET Core IoT 入門指南：（五）PWM 訊號輸出

  • 2019 年 10 月 27 日
  • 筆記

什麼是 PWM

在解釋 PWM 之前首先來了解一下電路中訊號的概念，其中包括模擬訊號和數字訊號。模擬訊號是一種連續的訊號，與連續函數類似，在圖形上表現為一條不間斷的連續曲線。數字訊號為只能取有限個數值的訊號，比如電腦中的高電平（1）和低電平（0）。

PWM（Pulse Width Modulation）即脈衝寬度調製，簡稱脈寬調製，通過對一系列的脈衝的寬度進行調製，從而等效出所需要的模擬訊號。如圖 1 所示，藍色波形為調製的一系列脈衝，紅色波形為模擬的正弦樣訊號。在模擬電路中，模擬訊號的值可以連續進行變化，而數字電路是在高電平和低電平中取值，所以電壓或電流會以脈衝的形式出現。通過使用 PWM 技術，我們可以在數字電路中模擬出電訊號的連續變化。

圖1：PWM 示意圖

  提示

看完上面的如果你還不明白，那麼可以看看下面這個生動的解釋，這個解釋來源於百度知道：

「簡單的說，比如你有5V電源，要控制一檯燈的亮度，有一個傳統辦法，就是串聯一個可調電阻，改變電阻，燈的亮度就會改變。還有一個辦法，就是PWM調節。不用串聯電阻，而是串聯一個開關。假設在1秒內，有0.5秒的時間開關是打開的，0.5秒關閉，那麼燈就亮0.5秒，滅0.5秒。這樣持續下去，燈就會閃爍。如果把頻率調高一點，比如是1毫秒，0.5毫秒開，0.5毫秒滅，那麼燈的閃爍頻率就很高。我們知道，閃爍頻率超過一定值，人眼就會感覺不到。所以，這時你看不到燈的閃爍，只看到燈的亮度只有原來的一半。同理，如果1毫秒內，0.1毫秒開，0.9毫秒滅，那麼，燈的亮度就只有原來的10分之一。」

使用 PWM 需要了解占空比（Duty Cycle）和頻率（Frequency）的概念。占空比即 PWM 訊號在一個周期內處於高電平的時間與整個周期的時間的比值。在 5V 電源的情況下，想要產生一個 3V 的訊號，可以使用占空比為 60％ 的 PWM。圖 2 從波形的角度解釋了 PWM。頻率是 PWM 訊號在 1 秒內完成一個周期的次數，單位是 Hz。如果輸出的頻率夠高並保持一定的占空比，就可以模擬出恆定電壓。圖 3 對比了小燈亮度的變化與占空比的變化，通過觀察圖右側的 PWM 波形可以看到占空比越高小燈越亮。

圖2：占空比示意圖

圖3：小燈亮度變化與占空比變化對比

Raspberry Pi 上提供了硬體 PWM 功能，一共包括 2 個通道，引出了 4 個 GPIO 引腳。其中 GPIO 12 和 GPIO 18 屬於通道 0，GPIO 13 和 GPIO 19 屬於通道 1。但有意思的是只有通道 0 的 GPIO 18 引腳的默認功能為 PWM，其他的不是被音頻處理所佔用，就是引腳另有它用。啟用這些引腳需要進行一些特殊配置甚至內核編程。

  提示

如何啟用 Raspberry Pi 上的 PWM ？

修改 /boot/config.txt ，添加 dtoverlay=pwm 。

啟用 PWM 通道 1 請參考：https://github.com/raspberrypi/firmware/issues/1178

修改 GPIO 引腳功能請參考：https://www.dummies.com/computers/raspberry-pi/raspberry-pi-gpio-pin-alternate-functions 和 http://abyz.me.uk/rpi/pigpio/pigs.html

相關類

PWM 操作的相關類位於 System.Device.Pwm 命名空間下。

PwmChannel

public class PwmChannel : IDisposable  {      // 創建 PwmChannel 對象      // chip 為 PWM 晶片編號，Linux 下位於 /sys/class/pwm 文件夾下      // channel 為 通道編號      public static PwmChannel Create(int chip, int channel, int frequency = 400, double dutyCycle = 0.5);        // 占空比，取值為 0.0 - 1.0      public double DutyCycle { get; set; }      // 頻率，單位為 Hz      public int Frequency { get; set; }        // 打開和關閉 PWM 通道      public void Start();      public void Stop();  }

PWM 的使用步驟

  1. 實例化一個 PwmChannel 對象
PwmChannel pwm = PwmChannel.Create(chip: 0, channel: 0, frequency: 400, dutyCycle: 0);
  1. 打開 PWM 通道
pwm.Start();
  1. 設置占空比/頻率改變輸出的 PWM 訊號
pwm.DutyCycle = 0.5;
  1. 關閉 PWM 通道
pwm.Stop();

使用硬體 PWM 控制 LED 的亮度

硬體需求

名稱 數量
LED x1
220 Ω 電阻 x1
杜邦線 若干

電路

  • LED 正極 – GPIO 18 (Pin 12)
  • LED 負極 – GND

使用 Docker 運行示例

示例地址：https://github.com/ZhangGaoxing/dotnet-core-iot-demo/tree/master/src/PwmLed

docker build -t pwm-led-sample -f Dockerfile .  docker run --rm -it -v=/sys/class/pwm:/sys/class/pwm --privileged=true pwm-led-sample

程式碼

  1. 打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制台應用程式，項目名稱為「PwmLed」。
  2. 引入 System.Device.Gpio NuGet 包。
  3. 在 Program.cs 中，將主函數程式碼替換如下：
static void Main(string[] args)  {      int brightness = 0;      using PwmChannel pwm = PwmChannel.Create(chip: 0, channel: 0, frequency: 400, dutyCycle: 0);        pwm.Start();        while (brightness != 255)      {          pwm.DutyCycle = brightness / 255D;            brightness++;          Thread.Sleep(10);      }        while (brightness != 0)      {          pwm.DutyCycle = brightness / 255D;            brightness--;          Thread.Sleep(10);      }        pwm.Stop();  }
  1. 發布、拷貝、更改許可權、運行

效果圖

使用軟體 PWM 控制 RGB LED

上面提到 Raspberry Pi 中默認只有 GPIO 18 這一個引腳可以使用 PWM，要控制 RGB LED 則至少需要使用 3 個 PWM，這顯然是不夠用的。在 Iot.Device.Bindings 這個 NuGet 包中為我們提供了使用 GPIO 模擬的軟體 PWM 類 SoftwarePwmChannel 。軟體 PWM 的使用效果並沒有硬體 PWM 的那種「順滑」，因為其精度完全取決於 GPIO 的速度。

  提示

RGB LED 有三種顏色，但通常只有 4 個引腳，而三種單色 LED 卻有 6 個引腳，為什麼會少了 2 個引腳？RGB LED 分為共陽極和共陰極。如果少的兩個引腳為陽極，則為共陽極 RGB LED，三個單色 LED 共用一個陽極，剩下的三個引腳為各自的陰極。共陰極 RGB LED 則相反。兩種 LED 在使用上類似，但程式相反，比如共陰極時占空比越高 LED 越亮，而共陽極時，占空比越高則 LED 越暗。

硬體需求

名稱 數量
RGB LED x1
220 Ω 電阻 x3
杜邦線 若干

電路

  • LED R – GPIO 18 (Pin 12)
  • LED G – GPIO 23 (Pin 16)
  • LED B – GPIO 24 (Pin 18)
  • LED 陰極 – GND

使用 Docker 運行示例

示例地址：https://github.com/ZhangGaoxing/dotnet-core-iot-demo/tree/master/src/PwmRgb

docker build -t pwm-rgb-sample -f Dockerfile .  docker run --rm -it --device /dev/gpiomem pwm-rgb-sample

程式碼

  1. 打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制台應用程式，項目名稱為「PwmRgb」。
  2. 引入 Iot.Device.Bindings NuGet 包。
  3. 在 Program.cs 中，將主函數程式碼替換如下：
static void Main(string[] args)  {      using PwmChannel red = new SoftwarePwmChannel(pinNumber: 18, frequency: 400, dutyCycle: 0);      using PwmChannel green = new SoftwarePwmChannel(pinNumber: 23, frequency: 400, dutyCycle: 0);      using PwmChannel blue = new SoftwarePwmChannel(pinNumber: 24, frequency: 400, dutyCycle: 0);        red.Start();      green.Start();      blue.Start();        Breath(red, green, blue);        red.Stop();      green.Stop();      blue.Stop();  }    public static void Breath(PwmChannel red, PwmChannel green, PwmChannel blue)  {      int r = 255, g = 0, b = 0;        while (r != 0 && g != 255)      {          red.DutyCycle = r / 255D;          green.DutyCycle = g / 255D;            r--;          g++;          Thread.Sleep(10);      }        while (g != 0 && b != 255)      {          green.DutyCycle = g / 255D;          blue.DutyCycle = b / 255D;            g--;          b++;          Thread.Sleep(10);      }        while (b != 0 && r != 255)      {          blue.DutyCycle = b / 255D;          red.DutyCycle = r / 255D;            b--;          r++;          Thread.Sleep(10);      }  }
  1. 發布、拷貝、更改許可權、運行

效果圖

供參考

  1. Pulse-width modulation – Wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation
  2. RPI4 : PWM0 & PWM1 Alternate pins – GitHub：https://github.com/raspberrypi/firmware/issues/1178
  3. Raspberry Pi GPIO Pin Alternate Functions：https://www.dummies.com/computers/raspberry-pi/raspberry-pi-gpio-pin-alternate-functions/
  4. PWM source code：https://github.com/dotnet/iot/tree/master/src/System.Device.Gpio/System/Device/Pwm
  5. 脈衝寬度調製 – 百度百科：https://baike.baidu.com/item/脈衝寬度調製/10813756

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