Arduino软件模拟PWM以及提高软PWM效率
- 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。
- 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。
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(PWMPin, OUTPUT);
}
void loop()
{
if((bright++) == 255) bright = 0;
for(int i = 0; i < 255; i++)
{
if(i < bright)
{
digitalWrite(PWMPin, HIGH);
delayMicroseconds(30);
}
else
{
digitalWrite(PWMPin, LOW);
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(PWMPin, OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(PWMPin, HIGH);
delayMicroseconds(bright*30);
digitalWrite(PWMPin, LOW);
delayMicroseconds((255 - bright)*30);
if((bright++) == 255) bright = 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 = 0, EndPWMPin = 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 i = StartPWMPin; i <= EndPWMPin; i++)
{
pinMode(i, OUTPUT);
//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 i = StartPWMPin; i <= EndPWMPin; i++)
{
if((brights[i]++) == PWMResolution) brights[i] = 0;
}
for(int i = 0; i <= PWMResolution; i++) //i是计数一个PWM周期
{
for(int j = StartPWMPin; j <= EndPWMPin; j++) //每个PWM周期均遍历所有引脚
{
if(i < brights[j])
{
digitalWrite(j, HIGH);
delayMicroseconds(2);
}
else
{
digitalWrite(j, LOW);
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。
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。
