第6章 树莓派与脉冲宽度调制(PWM)

   上一章我们介绍了如何用树莓派点亮和熄灭一个LED,但如何控制LED灯的亮度呢?脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)能很好的解决这个问题。脉冲宽度调制是一种简单、高效、应用广泛的控制方式,还可以用于控制直流电机的转速、舵机的转角角度等,本章将介绍树莓派与脉冲宽度调制(PWM)的相关知识,主要内容如下。

  • 脉冲宽度调制(PWM)的基本概念和基本原理。
  • 树莓派RPi.GPIO库产生和控制PWM的方法。
  • 在树莓派上使用LED演示和验证使用PWM。

6.1 脉冲宽度调制(PWM)

   脉冲宽度调制(PWM)是一种高效的数字电压控制技术,它利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制,通过控制固定电压的直流电源开关频率,改变负载两端的电压,进而达到控制要求的一种电压调整方法。为更好的理解和使用PWM,我们首先需要了解以下两个概念。

  • 频率
       频率以Hz为单位,一个脉冲信号时间周期的倒数。如果PWM的输出频率比较低,例如只有5Hz,那么在控制一个LED时候,LED就会一闪一闪的,较高的频率可以让运行更为平滑,但PWM的输出频率并不能无限的高,而且在高频情况下,测定的PWM频率会与作为树莓派参数提供的频率略有出入。因此,在使用PWM时,应该选择一个合适的频率,对于控制一个LED亮度来说,一般100Hz就足够了。
  • 占空比
       占空比就是输出的PWM脉冲信号中,高电平保持的时间与该PWM的时钟周期的时间之比,如图6.1所示,占空比=t1/T=t1/(t1+t2)。假设PWM脉冲的频率为1000Hz,那么它的时钟周期T就是1ms(即1000us),如果高电平持续时间t1为200us,低电平的时间t2为800us,那么占空比就是200:1000(即1:5)。
    图 6.1 PWM脉冲信号

   从应用的角度,我们可以简单的将PWM理解为通过改变脉冲信号的频率和高电平的持续时间(或占空比)来实现电压控控制的一种方法。图6.2显示了三个由GPIO输出的PWM信号(电压为3.3V),第一个信号是一个占空比为20%的PWM输出,即在信号周期中,20%的时间为高电平(逻辑1),其余80%的时间为低电平(逻辑0),对应的电压为满幅值的20%(0.66V)。第二、三个信号分别是占空比为50%和80%的PWM输出,对应的电压分别为1.65V和2.64V。

图 6.2 三个由GPIO输出的PWM信号

6.2 树莓派操控PWM

   在树莓派上,可以通过对GPIO的编程来实现PWM,RPi.GPIO库就提供了一个PWM功能,以下是使用RPi.GPIO库的PWM功能的方法。

  • 创建一个PWM实例
pwm = GPIO.PWM(channel, frequency)  

channel:指定要输出PWM信号的GPIO引脚;
frequency:指定PWM信号的初始频率,单位为Hz,其值应大于0.0。

  • 启用PWM
pwm.start(dc)  

dc:指定PWM信号的初始占空比,取值范围为0.0 ≤ dc ≤ 100.0。

  • 更改PWM频率
pwm.ChangeFrequency(freq)  

freq:指定PWM的新频率,单位为Hz,其值应大于0.0。

  • 更改PWM占空比
pwm.ChangeDutyCycle(dc)  

dc:指定PWM的新占空比,取值范围为0.0 ≤ dc ≤ 100.0。

  • 停止PWM
pwm.stop()  

6.3 PWM验证实验

   接下来,我们将用一个具体的例子来演示树莓派是如何使用PWM的。在这个实验里,您将可以手动改变LED的亮度,一方面我们将尽可能用上RPi.GPIO库中PWM的相关函数,让您更好了解这些函数的使用,另一方面让您更为直观的理解PWM的基本原理。

6.3.1 实验电路

   本实验的电路及所用到的材料与第5章“点亮LED灯”实验完全一样,我们不需要做任何变动。

6.3.2 程序思路

   与第5章“点亮LED灯”实验相比,本实验最大的不同在于程序代码,以下是本实验的基本思路。

BEGIN  
    引入GPIO库  
    将GPIO19设置为输出模式  
    
    创建PWM对象,并指定初始频率  
    启动PWM,并指定初始占空比  

    等待输入新PWM频率  
    将PWM的频率修改为新频率  
    
    DO FOREVER  
        等待输入新LED亮度(PWM占空比)  
        改变LED亮度(PWM占空比)  
    ENDO  
    停止PWM  
    清理释放GPIO资源  
END  

6.3.3 程序代码

   按照第4章介绍的方法新建一个项目,然后按照第5章的方法输入运行以下代码,程序的详细说明见注释。

import RPi.GPIO as GPIO                 # 引入GPIO模块

if __name__ == '__main__':
    LedPin = 19
    freq = 100                          # 存放PWM频率变量,这里初始值为100,可以根据实际需要修改
    dc = 0                              # 存放PWM占空比变量,这里初始值为0,可以根据实际需要修改

    GPIO.setmode(GPIO.BCM)              # 使用BCM编号方式
    GPIO.setup(LedPin, GPIO.OUT)        # 将GPIO19设置为输出模式

    pwm = GPIO.PWM(LedPin, freq)        # 创建PWM对象,并指定初始频率
    pwm.start(dc)                       # 启动PWM,并指定初始占空比

    try:
        freq = int(input("Please input the frequency of PWM(1-2000Hz): "))  # 等待输入新PWM频率
        pwm.ChangeFrequency(freq)       # 改变PWM频率
        while True:
            dc = int(input("Please input the duty cycle(0-100): "))         # 等待输入新PWM占空比
            pwm.ChangeDutyCycle(dc)     # 改变PWM占空比
    finally:
        pwm.stop()                      # 停止PWM
        GPIO.cleanup()                  # 清理释放GPIO资源,将GPIO复位

   程序运行后,首先会要求您输入PWM频率(建议输入的值在1到2000之间),然后您可以通过不断的输入新的PWM占空比来改变LED的状态。例如,您可以输入一个100Hz的PWM频率,然后分别输入10、30、50、80、100的PWM占空比,您将看到LED会一次比一次亮;当您输入的PWM频率为5时,LED会不断的闪烁,输入不同的占空比只会改变LED点亮的时间长度,而亮度基本不变,当占空比为100时,LED长亮。

6.4 本章小结

   本章首先介绍了脉冲宽度调制(PWM)的基本概念和基本原理,其次介绍树莓派产生和控制PWM的方法,最后通过一个PWM实验演示如何使用树莓派操作PWM,以更为直观的方式体验PWM。

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