PWM（脉冲宽度调制）是控制电机、LED等设备的常用技术。本文将详细介绍如何在树莓派 Pico 上使用 C/C++ SDK 实现 PWM 控制。

前言

PWM 基础知识

PWM 通过调节信号的占空比（Duty Cycle）来控制输出功率。占空比是指信号在一个周期内为高电平的时间比例。通过改变占空比，可以控制负载的功率。

使用 PWM 实现 LED 呼吸灯 - 图1

PWM 功能函数

树莓派 Pico 的 C/C++ SDK 提供了丰富的 PWM 函数：

  • pwm_set_gpio_level(gpio, level): 设置指定 GPIO 引脚的 PWM 输出电平。
  • pwm_set_wrap(slice_num, wrap): 设置 PWM 切片的最大计数值。
  • pwm_set_clkdiv(slice_num, div): 设置 PWM 时钟分频值。

示例

基础功能使用

一般使用 PWM 的基本流程如下：

（1） 将 GPIO 引脚设置为 PWM 功能
（2） 编辑 PWM 配置
（3） 初始化 PWM 配置
（4） 设置电平值（占空比值） 
  1. #include "pico/stdlib.h"
  2. #include "hardware/pwm.h"
  4. #define PIN_PWM0  ( 12 )
  6. int main() {
  7.     static pwm_config pwm0_slice_config;
  8.     uint pwm0_slice_num;
  10.     {   /* 将指定的 GPIO 引脚设置为 PWM 功能 */
  11.         gpio_set_function( PIN_PWM0, GPIO_FUNC_PWM );
  12.         pwm0_slice_num = pwm_gpio_to_slice_num( PIN_PWM0 );
  13.     }
  15.     {
  16.         /* 获取 PWM 默认配置 */
  17.         pwm0_slice_config = pwm_get_default_config();
  18.     }
  20.     {   
  21.         pwm_init( pwm0_slice_num, &pwm0_slice_config, true );
  22.         /* PWM计时器、计数器、电平值（占空比计数值）被清除0 */
  23.     }
  25.     {   /* 通过 pwm_set_gpio_level 函数实时调整 PWM 输出的占空比 */
  26.         pwm_set_gpio_level( PIN_PWM0, ( pwm0_slice_config.top * 0.20 ) );
  27.         /* 占空比20% */
  28.     }
  30.     while ( true )
  31.     {
  33.     }
  34. }

以上代码将在 GPIO 为 12 的引脚输出占空比为 20% 的 PWM。从下图的方波图我们可以看到，在一个周期内高电平占了1/5 。

使用 PWM 实现 LED 呼吸灯 - 图2

设置周期

周期可以通过分频比和最大计数值进行调整。
时钟频率越高，精度越好，因此请调整最大计数值，使其尽可能大。
以下代码将其调整为 1ms 和 2ms。 
  1. #include "pico/stdlib.h"
  2. #include "hardware/pwm.h"
  4. #define PIN_PWM0  ( 0 )
  5. #define PIN_PWM1  ( 2 )
  7. void main( void )
  8. {
  9.     static pwm_config pwm0_slice_config;
  10.     uint pwm0_slice_num;
  12.     static pwm_config pwm1_slice_config;
  13.     uint pwm1_slice_num;
  15.     {
  16.         gpio_set_function( PIN_PWM0, GPIO_FUNC_PWM );
  17.         pwm0_slice_num = pwm_gpio_to_slice_num( PIN_PWM0 );
  19.         gpio_set_function( PIN_PWM1, GPIO_FUNC_PWM );
  20.         pwm1_slice_num = pwm_gpio_to_slice_num( PIN_PWM1 );
  21.     }
  23.     {
  24.         pwm0_slice_config = pwm_get_default_config();
  25.         // 设置最大计数值
  26.         pwm_config_set_wrap( &pwm0_slice_config, 62500 );
  27.         // 设置时钟分频值
  28.         pwm_config_set_clkdiv( &pwm0_slice_config, 2 );
  30.         pwm1_slice_config = pwm_get_default_config();
  31.         // 设置最大计数值
  32.         pwm_config_set_wrap( &pwm1_slice_config, 62500 );
  33.         // 设置时钟分频值
  34.         pwm_config_set_clkdiv( &pwm1_slice_config, 4 );
  35.     }
  37.     {
  38.         pwm_init( pwm0_slice_num, &pwm0_slice_config, true );
  39.         pwm_init( pwm1_slice_num, &pwm1_slice_config, true );
  40.     }
  42.     {    // 设置初始占空比为 20%
  43.         pwm_set_gpio_level( PIN_PWM0, ( pwm0_slice_config.top * 0.20 ) );
  44.         pwm_set_gpio_level( PIN_PWM1, ( pwm1_slice_config.top * 0.20 ) );
  45.     }
  47.     while ( true )
  48.     {
  50.     }
  51. }

使用 PWM 实现 LED 呼吸灯 - 图3

除了基本的 PWM 设置，还可以使用以下功能：

  • 相位校正：通过 pwm_set_phase_correct 函数设置相位校正模式。
  • 输出极性：通过 pwm_set_output_polarity 函数设置输出极性。
  • 计数器：通过 pwm_set_counter 函数设置计数器的初始值。

实现 LED 呼吸灯

  1. #include "pico/stdlib.h"
  2. #include <stdio.h>
  3. #include "pico/time.h"
  4. #include "hardware/irq.h"
  5. #include "hardware/pwm.h"
  7. #define PICO_DEFAULT_LED_PIN 4
  9. #ifdef PICO_DEFAULT_LED_PIN
  10. void on_pwm_wrap() {
  11.     static int fade = 0;
  12.     static bool going_up = true;
  13.     // Clear the interrupt flag that brought us here
  14.     pwm_clear_irq(pwm_gpio_to_slice_num(PICO_DEFAULT_LED_PIN));
  16.     if (going_up) {
  17.         ++fade;
  18.         printf("%d\n", fade);
  20.         if (fade > 255) {
  21.             fade = 255;
  22.             going_up = false;
  23.         }
  24.     } else {
  25.         --fade;
  26.         printf("%d\n", fade);
  28.         if (fade < 0) {
  29.             fade = 0;
  30.             going_up = true;
  31.         }
  32.     }
  33.     // Square the fade value to make the LED's brightness appear more linear
  34.     // Note this range matches with the wrap value
  35.     pwm_set_gpio_level(PICO_DEFAULT_LED_PIN, fade * fade);
  36. }
  37. #endif
  39. int main() {
  40. #ifndef PICO_DEFAULT_LED_PIN
  41. #warning pwm/led_fade example requires a board with a regular LED
  42. #else
  43.     // Tell the LED pin that the PWM is in charge of its value.
  44.     gpio_set_function(PICO_DEFAULT_LED_PIN, GPIO_FUNC_PWM);
  45.     // Figure out which slice we just connected to the LED pin
  46.     uint slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(PICO_DEFAULT_LED_PIN);
  48.     // Mask our slice's IRQ output into the PWM block's single interrupt line,
  49.     // and register our interrupt handler
  50.     pwm_clear_irq(slice_num);
  51.     pwm_set_irq_enabled(slice_num, true);
  52.     irq_set_exclusive_handler(PWM_IRQ_WRAP, on_pwm_wrap);
  53.     irq_set_enabled(PWM_IRQ_WRAP, true);
  55.     // Get some sensible defaults for the slice configuration. By default, the
  56.     // counter is allowed to wrap over its maximum range (0 to 2**16-1)
  57.     pwm_config config = pwm_get_default_config();
  58.     // Set divider, reduces counter clock to sysclock/this value
  59.     pwm_config_set_clkdiv(&config, 4.f);
  60.     // Load the configuration into our PWM slice, and set it running.
  61.     pwm_init(slice_num, &config, true);
  63.     // Everything after this point happens in the PWM interrupt handler, so we
  64.     // can twiddle our thumbs
  65.     while (1)
  66.         tight_loop_contents();
  67. #endif
  68. }

总结

通过本文，您应该能够在树莓派 Pico 上使用 C/C++ SDK 实现基本的 PWM 控制。PWM 是一种强大的控制技术，广泛应用于电机控制、LED 调光等领域。希望本文能帮助您更好地理解和使用树莓派 Pico 的 PWM 功能。

参考资料

通过这些参考资料，您可以进一步深入了解树莓派 Pico 和 C/C++ SDK 的更多高级功能。