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開啟PWM調(diào)光之門，一起來做呼吸燈
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PWM作為一種靈活且高效的信號調(diào)制手段，在電氣設(shè)備的性能控制和調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用，常用于電機控制、燈光調(diào)光、音頻信號生成、加熱控制等應(yīng)用。
本文將以低功耗4G模組Air780E為例，展示PWM（脈沖寬度調(diào)制）輸出呼吸燈的實現(xiàn)方法，幫助大家深入理解如何在項目中應(yīng)用PWM技術(shù)。
一、PWM概述
1.1 pwm是什么
脈沖寬度調(diào)制PWM，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。
PWM具有高效、控制精度高及實現(xiàn)簡便等優(yōu)點，但PWM信號可能產(chǎn)生高頻噪聲，需要濾波以減小干擾。另外，某些應(yīng)用需要特定的硬件支持，如支持PWM輸入的微控制器或電路。
要想使用PWM，還需先了解PWM的相關(guān)參數(shù)：
- PWM的頻率：
是指1秒鐘內(nèi)信號從高電平到低電平再回到高電平的次數(shù)（一個周期），也就是說一秒鐘PWM有多少個周期。單位：Hz。 - PWM的周期：
T=1/f 周期=1/頻率例：如果頻率為50Hz，T=1/50=0.02s，也就是說一個周期是20ms；
1s=1000ms，那么一秒鐘就有50次PWM周期。
- PWM的占空比：
是一個脈沖周期內(nèi)，高電平的時間占整個周期時間的比例。單位：% (0%-100%)；例：一個周期10ms，高電平占8ms，那么此占空比就是8/10=80%。
1.2 PWM原理
單片機的IO引腳輸出的是數(shù)字信號，且只能輸出1和0。那如果TTL電平中，高電平為5V，低電平為0V，但是我們想要輸出不同的模擬電壓，比如輸出3.75V應(yīng)該怎么操作？
此時要用到PWM，通過改變IO口輸出方波的占空比，得到不同的模擬電壓。
3.75/5=0.75，也就是高電平時間占整個周期的75%，即占空比為75%，可得到模擬電壓3.75V。
注意上圖中藍線，代表著輸出的模擬電壓，占空比越大，則模擬電壓也越大。
1.3 PWM通道說明
詳見Air780E產(chǎn)品手冊GPIO復(fù)用表：
https://docs.openluat.com/air780e/product/
當(dāng)前版本為：
《Air780E_GPIO_table_20240812.pdf》
由上方GPIO復(fù)用表可知：
Air780E的實際可用PWM通道有4個（0/1/2/4）， 但每個都有3種配置。
PWM3/PWM5已經(jīng)被底層使用，例如PWM1和PWM11都使用硬件通道1，只能選其中一個使用。啟用PWM1就不能啟用PWM11，調(diào)用PWM庫的API時，填軟件通道id。
相關(guān)注意事項：
軟件通道10/11/12/14需要V1002以上的固件，即20221219之后編譯的版本。
軟件通道20/21/22需要V1016以上的固件，即20230330之后編譯的版本。
上述映射是固定的，mcu.iomux也沒有配置項, 而且已經(jīng)枚舉了全部可用PWM通道。
二、演示功能概述
接下來本文將用兩個示例，演示如何使用Air780E的PWM功能：
PWM輸出：
控制Air780E核心板pwm4通道的pwm輸出，設(shè)置不同的占空比，讓小燈有不同的亮度；
呼吸燈效果：
使用Air780E核心板的pwm1通道，外接發(fā)光二極管來查看呼吸燈效果。
三、準(zhǔn)備硬件環(huán)境
本文使用Air780E核心板進行演示；
3.2 數(shù)據(jù)通信線
USB轉(zhuǎn)Type-C數(shù)據(jù)線一根；
四、準(zhǔn)備軟件環(huán)境
4.1 下載調(diào)試工具
https://docs.openluat.com/Luatools/
4.2 源碼及固件
最新固件下載：
https://docs.openluat.com/air780e/luatos/firmware/
固件詳見core_V1112壓縮包：
LuatOS-SoC_V1112_EC618_FULL.soc
最新demo源碼下載：
https://gitee.com/openLuat/LuatOS-Air780E/tree/master/demo/pwm
五、PWM軟硬件資料
本教程使用API接口詳見：
https://wiki.luatos.com/api/pwm.html?highlight=pwm
5.2 Air780E燒錄說明
將Air780E通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦：
1）按住下載模式按鍵（boot 鍵）不放，同時再長按開機鍵開機，這時開發(fā)板會進入下載模式，Luatools下載進度條會開始跑，這時可以松開boot按鍵。直到工具提示下載完成。
2）如果未能成功進入下載模式，而是進入正常開機模式，這時可以按住 boot 鍵，再短按復(fù)位按鍵，讓開發(fā)板重啟，重新進入下載模式。
如何判斷有沒有進入下載模式：
可以通過PC端的設(shè)備管理器中虛擬出來的USB端口數(shù)量來判斷。
正常開機模式：
下載模式：
六、代碼示例介紹
本例使用Air780E核心板上的NetLed（網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)燈），pwm通道id=4，打開pwm4通道的pwm輸出，設(shè)置不同的占空比，小燈會有不同的亮度。
6.1.1 代碼介紹
6.1.2 效果展示
6.2 呼吸燈效果
本例使用Air780E核心板的pwm1通道，外接發(fā)光二極管來查看呼吸燈效果：
呼吸燈效果就是小燈由亮到暗逐漸變化，很有節(jié)奏感地一起一伏，”感覺，好像人在呼吸“，我們可以通過不斷調(diào)高占空比讓小燈一點點亮起，再不斷調(diào)低占空比讓小燈一點點熄滅從而達到此效果。
6.2.1 硬件接線
GPIO24 --------發(fā)光二極管正極
GND -----------發(fā)光二極管負極
6.2.2 代碼介紹
6.2.3 效果展示
外接發(fā)光二極管，效果如下圖所示：
也可用Air780E核心板上的NetLed（網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)燈）來觀察呼吸燈效果，但demo里的PWM通道要改成相應(yīng)的id，可查看上文的PWM通道說明。
我們通過示波器查看PWM的輸出波形，可以看到占空比在10%-90%之間變化。
七、常見問題
1. 如何驗證所產(chǎn)生的PWM信號？
可以使用示波器檢測PWM輸出，查看頻率、占空比和波形的完整性。確保波形按照設(shè)計參數(shù)正常工作，必要時進行調(diào)整。
2. PWM的信號的頻率如何選擇？
頻率的選擇通常取決于具體應(yīng)用，根據(jù)自己的項目需要來選擇：
電機控制：常用頻率為1kHz到20kHz，以確保足夠的反應(yīng)速度和控制精度。
LED調(diào)光：頻率通常在1kHz以上，以避免人眼感知到閃爍。
音頻信號：頻率設(shè)置應(yīng)高于音頻信號的最高頻率（例如，至少為20kHz）
3. 什么是占空比，如何計算PWM的占空比？
占空比即是一個脈沖周期內(nèi)，高電平的時間占整個周期。
例如：
如果PWM信號的高電平時間為2ms，周期為10ms。
則：占空比 = (2 / 10) × 100 = 20%
今天的內(nèi)容就分享到這里了~
