Detailed Explanation of PWM Usage and Examples in RP2040

在這篇文章中,我將為大家詳細講解如何在 RP2040 中使用 PWM（Pulse Width Modulation,脈衝寬度調製）功能。我們將通過三個具體的程序示例,深入了解 PWM 的工作原理,以及如何在 RP2040 中配置和使用 PWM。無論你是想要輸出 PWM 信號、控制 LED 亮度,還是測量 PWM 信號的佔空比,這篇文章都將為你提供詳盡的指導。

PWM 基礎知識

PWM 是一種常用的數位信號處理技術,通過改變脈衝的寬度來調製信號的平均值。在 RP2040 中,PWM 功能由專門的硬體模組提供,可以生成 PWM 信號並控制其參數,如頻率、佔空比等。

PWM 信號由一系列脈衝組成,每個脈衝的寬度決定了信號的佔空比。佔空比是指脈衝的高電平時間與整個週期的比值,通常以百分比表示。通過改變 PWM 信號的佔空比,我們可以調節輸出的平均電壓,從而實現對連接設備的控制。

RP2040 的 PWM 模組提供了多個 PWM 通道,每個通道都可以獨立配置和控制。這使得我們可以同時輸出多個 PWM 信號,並對它們進行精確的控制。

好的,以下是新增的開頭段落,詳細介紹了 PWM 的各種配置模式、作用以及如何設置:

PWM 的配置模式及設置

在 RP2040 中,PWM 模組提供了多種配置模式,可以根據不同的應用需求進行設置。每種模式都有其特定的作用和配置方法。下面我們來詳細介紹一下這些模式:

自由運行模式（Free-running mode）

自由運行模式是 PWM 的默認模式。在這種模式下,PWM 計數器會不斷地從 0 計數到設定的最大值（通過 pwm_config_set_wrap 函數設置）,然後再從 0 開始重複計數。當計數器的值與比較器的值相等時,PWM 輸出會根據設置的電平（高電平或低電平）進行切換。

适用场景：用於普通的PWM輸出，例如LED亮度調節、電機速度控制等，需要定期的周期性PWM信号。

要將 PWM 配置為自由運行模式,可以使用以下代碼:

pwm_config config = pwm_get_default_config();
pwm_config_set_wrap(&config, 65535);
pwm_init(slice_num, &config, true);

在上面的代碼中,我們首先使用 pwm_get_default_config 函數獲取 PWM 的默認配置,然後使用 pwm_config_set_wrap 函數設置 PWM 計數器的最大值為 65535。最後,使用 pwm_init 函數初始化 PWM 切片,並將配置應用到切片上。

計數模式（Counter mode）

在計數模式下,PWM 計數器會根據外部輸入的脈衝信號進行計數。這種模式通常用於測量外部信號的頻率或脈衝寬度。 適用場景：用於測量外部脈衝信號的頻率或脈衝寬度，通常與外部輸入信號同步計數。 要將 PWM 配置為計數模式,可以使用以下代碼:

pwm_config config = pwm_get_default_config();
pwm_config_set_clkdiv_mode(&config, PWM_DIV_B_RISING);
pwm_init(slice_num, &config, false);

在上面的代碼中,我們使用 pwm_config_set_clkdiv_mode 函數將 PWM 的時鐘分頻模式設置為 PWM_DIV_B_RISING,表示在輸入信號的上升沿進行計數。然後,使用 pwm_init 函數初始化 PWM 切片,並將配置應用到切片上。

相位校正模式（Phase-correct mode）

相位校正模式是一種特殊的 PWM 模式,它可以產生對稱的 PWM 信號,並減少輸出信號的諧波失真。在這種模式下,PWM 計數器在達到最大值後會向下計數,而不是直接重置為 0。 适用场景：產生對稱的PWM信号，減少輸出信號的諧波失真，適合對PWM信號質量要求較高的應用。 要將 PWM 配置為相位校正模式,可以使用以下代碼:

pwm_config config = pwm_get_default_config();
pwm_config_set_phase_correct(&config, true);
pwm_init(slice_num, &config, true);

在上面的代碼中,我們使用 pwm_config_set_phase_correct 函數將 PWM 配置為相位校正模式,然後使用 pwm_init 函數初始化 PWM 切片,並將配置應用到切片上。

設置 PWM 頻率和佔空比

無論使用哪種 PWM 模式,我們都需要設置 PWM 信號的頻率和佔空比。PWM 頻率決定了 PWM 信號的週期,而佔空比決定了 PWM 信號在一個週期內高電平的時間比例。

要設置 PWM 頻率,我們需要配置 PWM 的時鐘分頻器和包裹值。時鐘分頻器決定了 PWM 計數器的計數速度,而包裹值決定了 PWM 計數器的最大值。PWM 頻率的計算公式如下:

PWM 頻率 = 系統時鐘頻率 / (時鐘分頻器 * (包裹值 + 1))

例如,如果系統時鐘頻率為 125 MHz,時鐘分頻器設置為 1.0（不分頻）,包裹值設置為 1249,則 PWM 頻率為:

PWM 頻率 = 125 MHz / (1.0 * (1249 + 1)) = 100 kHz

要設置 PWM 佔空比,我們需要配置 PWM 的比較器值。比較器值決定了 PWM 信號在一個週期內高電平的時間。PWM 佔空比的計算公式如下:

PWM 佔空比 = 比較器值 / (包裹值 + 1)

例如,如果包裹值設置為 1249,比較器值設置為 624,則 PWM 佔空比為:

PWM 佔空比 = 624 / (1249 + 1) = 0.4992 ≈ 50%

綜上所述,通過合理配置 PWM 的模式、頻率和佔空比,我們可以產生各種不同特性的 PWM 信號,以滿足不同的應用需求。無論是電機控制、伺服機控制還是信號檢測,都可以通過靈活配置 PWM 來實現。

程序示例 1: 輸出 PWM 信號

首先,讓我們來看一個簡單的程序示例,演示如何在 RP2040 上輸出 PWM 信號:

#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pwm.h"

int main() {
    // 將 GPIO 0 和 GPIO 1 分配給 PWM
    gpio_set_function(0, GPIO_FUNC_PWM);
    gpio_set_function(1, GPIO_FUNC_PWM);

    // 找到連接到 GPIO 0 的 PWM 切片（slice）編號
    uint slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(0);

    // 設置 PWM 週期為 4 個循環（0 到 3）
    pwm_set_wrap(slice_num, 3);

    // 設置通道 A 在下降沿之前輸出高電平一個循環
    pwm_set_chan_level(slice_num, PWM_CHAN_A, 1);

    // 設置通道 B 在下降沿之前初始輸出高電平三個循環
    pwm_set_chan_level(slice_num, PWM_CHAN_B, 3);

    // 啟動 PWM
    pwm_set_enabled(slice_num, true);
}

備註

在這個示例中,我們將 GPIO 0 和 GPIO 1 分配給 PWM 功能,並找到連接到 GPIO 0 的 PWM 切片（slice）編號。然後,我們設置 PWM 週期為 4 個循環,並配置通道 A 和通道 B 的輸出電平。最後,我們啟動 PWM,開始輸出 PWM 信號。

值得注意的是,我們也可以使用 pwm_set_gpio_level(gpio, x) 函數,它會自動查找給定 GPIO 的正確切片和通道,並設置輸出電平。

程序示例 2: 使用 PWM 控制 LED 亮度

接下來,讓我們看一個更實用的例子,演示如何用一個切片的兩個通道輸出頻率一致占空比不同的pwm波形:

#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pwm.h"

// PWM 參數
#define PWM_FREQ 1000 // PWM 頻率為 1kHz
#define PWM_DUTY_CYCLE 30 // PWM 占空比為 30%

int main() {
    // 選擇要使用的GPIO
    const uint GPIO0 = 0; // 使用 GPIO 0
    const uint GPIO1 = 1; // 使用 GPIO 1

    // 將GPIO設置為PWM功能
    gpio_set_function(GPIO0, GPIO_FUNC_PWM); // 將 GPIO 0 設置為 PWM 功能
    gpio_set_function(GPIO1, GPIO_FUNC_PWM); // 將 GPIO 1 設置為 PWM 功能

    // 找到PWM切片
    uint slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(GPIO0); // 獲取 GPIO 0 對應的 PWM 切片編號

    // 配置PWM
    pwm_config config = pwm_get_default_config(); // 獲取 PWM 的默認配置
    // 設置分頻器,以確定頻率
    // 系統時鐘頻率為125MHz,頻率 = 125MHz / 分頻器 / (包絡值 + 1)
    uint16_t div = 125000000 / PWM_FREQ / 10000; // 計算分頻器值
    pwm_config_set_clkdiv(&config, div); // 設置 PWM 分頻器
    // 設置包絡值,也就是計數器的最大值
    pwm_config_set_wrap(&config, 9999); // 設置 PWM 計數器的最大值為 9999
    // 使配置生效
    pwm_init(slice_num, &config, true); // 初始化 PWM 並使配置生效

    // 設置PWM占空比
    uint16_t level_a = 9999 * 35 / 100; // 設置 GPIO0 的占空比為 35%
    uint16_t level_b = 9999 * 75 / 100; // 設置 GPIO1 的占空比為 75%
    pwm_set_chan_level(slice_num, PWM_CHAN_A, level_a); // 設置通道A (GPIO0) 的占空比
    pwm_set_chan_level(slice_num, PWM_CHAN_B, level_b); // 設置通道B (GPIO1) 的占空比

    // 讓主循環空轉,維持PWM輸出
    while (1) {
        tight_loop_contents(); // 主循環空轉，保持 PWM 輸出
    }
}

// 互補輸出
#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pwm.h"

// PWM 參數
#define PWM_FREQ 1000 // PWM 頻率為 1kHz
#define PWM_DUTY_CYCLE 30 // PWM 占空比為 30%

int main() {
    // 選擇要使用的GPIO
    const uint GPIO0 = 0;
    const uint GPIO1 = 1;

    // 將GPIO設置為PWM功能
    gpio_set_function(GPIO0, GPIO_FUNC_PWM);
    gpio_set_function(GPIO1, GPIO_FUNC_PWM);

    // 找到PWM切片
    uint slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(GPIO0);

    // 配置PWM
    pwm_config config = pwm_get_default_config();
    // 啟用相位校正模式
    pwm_config_set_phase_correct(&config, true);
    // 設置分頻器,以確定頻率
    // 系統時鐘頻率為125MHz,頻率 = 125MHz / 分頻器 / (包絡值 + 1) / 2
    // 注意在相位校正模式下,頻率會減半
    uint16_t div = 125000000 / PWM_FREQ / 10000 / 2;
    pwm_config_set_clkdiv(&config, div);
    // 設置包絡值,也就是計數器的最大值
    pwm_config_set_wrap(&config, 9999);
    // 設置輸出極性
    pwm_config_set_output_polarity(&config, false, true); // 通道B反相
    // 使配置生效
    pwm_init(slice_num, &config, true);

    // 設置PWM占空比
    uint16_t level = 9999 * PWM_DUTY_CYCLE / 100;
    pwm_set_both_levels(slice_num, level, level); // 兩個通道使用相同的占空比

    // 讓主循環空轉,維持PWM輸出
    while (1) {
        tight_loop_contents();
    }
}

提示

1個切片 兩個通道 相鄰 GPIO 是一個切片 如 GPIO0&GPIO1 GPIO2&GPIO3

程序示例 3: 測量 PWM 信號的佔空比

最後,讓我們看一個示例,演示如何使用 RP2040 的 PWM 功能來測量 PWM 信號的佔空比:

#include <stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pwm.h"
#include "hardware/clocks.h"

const uint OUTPUT_PIN = 2;
const uint MEASURE_PIN = 5;

float measure_duty_cycle(uint gpio) {
    // 只有 PWM B 引腳可以用作輸入
    assert(pwm_gpio_to_channel(gpio) == PWM_CHAN_B);

    uint slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(gpio);

    // 每 100 個循環,PWM B 輸入為高電平時計數一次
    pwm_config cfg = pwm_get_default_config();
    pwm_config_set_clkdiv_mode(&cfg, PWM_DIV_B_HIGH);
    pwm_config_set_clkdiv(&cfg, 100);
    pwm_init(slice_num, &cfg, false);

    gpio_set_function(gpio, GPIO_FUNC_PWM);
    pwm_set_enabled(slice_num, true);
    sleep_ms(10);
    pwm_set_enabled(slice_num, false);

    float counting_rate = clock_get_hz(clk_sys) / 100;
    float max_possible_count = counting_rate * 0.01;

    return pwm_get_counter(slice_num) / max_possible_count;
}

const float test_duty_cycles[] = {
        0.f,
        0.1f,
        0.5f,
        0.9f,
        1.f
};

int main() {
    stdio_init_all();
    printf("\nPWM duty cycle measurement example\n");

    // 配置 PWM 切片並設置為運行狀態
    const uint count_top = 1000;
    pwm_config cfg = pwm_get_default_config();
    pwm_config_set_wrap(&cfg, count_top);
    pwm_init(pwm_gpio_to_slice_num(OUTPUT_PIN), &cfg, true);

    // 注意,我們還沒有觸碰另一個引腳 -- PWM 引腳預設為輸出,
    // 但一旦分頻器模式從自由運行改變,就會變為輸入。
    // 將兩個輸出直接連接在一起是不明智的!
    gpio_set_function(OUTPUT_PIN, GPIO_FUNC_PWM);

    // 對於每個測試佔空比,在輸出引腳上驅動該電平,
    // 然後使用另一個引腳讀回實際的輸出佔空比。這兩個值應該非常接近!
    for (int i = 0; i < count_of(test_duty_cycles); ++i) {
        float output_duty_cycle = test_duty_cycles[i];
        pwm_set_gpio_level(OUTPUT_PIN, (uint16_t)(output_duty_cycle * (count_top + 1)));

        float measured_duty_cycle = measure_duty_cycle(MEASURE_PIN);
        printf("Output duty cycle = %.1f%%, measured input duty cycle = %.1f%%\n",
               output_duty_cycle * 100.f, measured_duty_cycle * 100.f);
    }
}

在這個示例中,我們演示了如何使用 RP2040 的 PWM 功能來測量 PWM 信號的佔空比。程序的主要步驟如下:

1. 定義輸出引腳 OUTPUT_PIN 和測量引腳 MEASURE_PIN。
2. 實現 measure_duty_cycle() 函數,用於測量給定 GPIO 引腳上的 PWM 信號佔空比。
   • 配置 PWM 切片,設置分頻器模式為 PWM_DIV_B_HIGH,即每 100 個循環計數一次。
   • 啟動 PWM,等待一段時間,然後停止 PWM。
   • 計算最大可能計數值,並根據實際計數值計算佔空比。
3. 在 main() 函數中,配置輸出引腳的 PWM 切片,設置包裹值為 count_top。
4. 對於每個測試佔空比,在輸出引腳上設置相應的電平,然後使用測量引腳讀回實際的輸出佔空比。
5. 將輸出佔空比和測量佔空比打印出來,檢查它們是否接近。

警告

在將兩個引腳連接在一起之前,需要注意 PWM 引腳的默認狀態。PWM 引腳預設為輸出,但一旦分頻器模式從自由運行改變,就會變為輸入。將兩個輸出直接連接在一起是不明智的!

通過這個示例,我們可以看到如何使用 RP2040 的 PWM 功能來精確測量 PWM 信號的佔空比。這在需要對 PWM 信號進行分析和控制的場景中非常有用。

單獨使用 PWM

除了上述示例中的用法,我們還可以單獨使用 PWM 來控制各種設備,如直流電機、步進電機、伺服機等。下面我們將詳細介紹如何使用 PWM 來控制這些設備,以及如何使用 PWM 作為輸入捕獲來檢測輸入信號的頻率、脈寬和佔空比。

控制直流電機

使用 PWM 可以方便地控制直流電機的轉速。通過改變 PWM 信號的佔空比,我們可以調節輸出到電機的平均電壓,從而控制電機的轉速。以下是一個使用 PWM 控制直流電機的示例:

#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pwm.h"

const uint MOTOR_PIN = 2;

int main() {
    // 將電機引腳設置為 PWM 功能
    gpio_set_function(MOTOR_PIN, GPIO_FUNC_PWM);

    // 獲取 PWM 切片編號和通道
    uint slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(MOTOR_PIN);
    uint channel = pwm_gpio_to_channel(MOTOR_PIN);

    // 配置 PWM 切片
    pwm_config config = pwm_get_default_config();
    pwm_config_set_wrap(&config, 65535);
    pwm_init(slice_num, &config, true);

    while (1) {
        // 設置佔空比,控制電機轉速
        pwm_set_chan_level(slice_num, channel, 32768); // 50% 佔空比
        sleep_ms(2000);
        pwm_set_chan_level(slice_num, channel, 16384); // 25% 佔空比
        sleep_ms(2000);
        pwm_set_chan_level(slice_num, channel, 49152); // 75% 佔空比
        sleep_ms(2000);
    }
}

在這個示例中,我們將電機連接到 GPIO2 引腳,並將其設置為 PWM 功能。然後,我們配置 PWM 切片,設置包裹值為 65535,以獲得更高的解析度。在主迴圈中,我們通過設置不同的佔空比來控制電機轉速。佔空比的取值範圍為 0 到 65535,分別對應 0% 到 100% 的佔空比。

提示

根據電機的規格和電源電壓,你可能需要使用 H 橋或電機驅動器來安全地驅動電機。PWM 信號可以用來控制 H 橋或電機驅動器的輸入,從而調節電機轉速。

控制步進電機

步進電機是一種常用的精密定位設備,可以通過控制脈衝信號來實現精確的角度控制。使用 PWM,我們可以生成控制步進電機所需的脈衝信號。以下是一個使用 PWM 控制步進電機的示例:

#include <stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pwm.h"
#include "hardware/irq.h"

#include "stdlib.h"

#define STEP_PIN 0
#define DIR_PIN 1
#define PWM_SLICE_NUM 0
#define PULSES_PER_REV 1600  // 每圈脈衝數
#define PWM_FREQ (10000)      // PWM 頻率 (Hz) 

volatile int32_t pulse_count = 0;
volatile int32_t target_pulses = 0;
volatile bool motor_running = false;
volatile float current_angle = 0.0f;

void pwm_irq_handler() {
    pwm_clear_irq(PWM_SLICE_NUM);
    if (motor_running) {
        pulse_count++;
        if (pulse_count >= target_pulses) {
            pwm_set_enabled(PWM_SLICE_NUM, false);
            gpio_set_function(STEP_PIN, GPIO_FUNC_SIO);
            gpio_set_dir(STEP_PIN, GPIO_OUT);
            gpio_put(STEP_PIN, 0);  // 確保引腳為低電平
            motor_running = false;
        }
    }
}

void configure_pwm() {
    gpio_set_function(STEP_PIN, GPIO_FUNC_PWM);
    
    pwm_config config = pwm_get_default_config();
    
    // 計算分頻器值和包絡值
    uint32_t clock_freq = clock_get_hz(clk_sys);  // 獲取系統時鐘頻率
    uint32_t desired_freq = 1000;  // 目標頻率 1kHz
    uint32_t divider = 1;
    uint32_t wrap = clock_freq / (desired_freq * divider) - 1;

    // 調整分頻器和包絡值，以獲得最接近目標頻率的設置
    while (wrap > 65535 && divider < 256) {
        divider++;
        wrap = clock_freq / (desired_freq * divider) - 1;
    }

    pwm_config_set_clkdiv_int(&config, divider);
    pwm_config_set_wrap(&config, wrap);

    // 設置 50% 占空比
    uint16_t level = (wrap + 1) / 2;
    
    pwm_init(PWM_SLICE_NUM, &config, false);
    pwm_set_chan_level(PWM_SLICE_NUM, PWM_CHAN_A, level);
    
    pwm_clear_irq(PWM_SLICE_NUM);
    pwm_set_irq_enabled(PWM_SLICE_NUM, true);
    irq_set_exclusive_handler(PWM_IRQ_WRAP, pwm_irq_handler);
    irq_set_enabled(PWM_IRQ_WRAP, true);
}


void rotate_motor(float angle) {
    if (motor_running) return;  // 如果電機正在運轉，忽略新的命令

    bool direction = angle >= 0;
    target_pulses = abs((int)(angle / 360.0f * PULSES_PER_REV));
    pulse_count = 0;
    motor_running = true;

    gpio_put(DIR_PIN, direction);
    gpio_set_function(STEP_PIN, GPIO_FUNC_PWM);
    pwm_set_enabled(PWM_SLICE_NUM, true);

    current_angle += angle;
    while (current_angle >= 360.0f) current_angle -= 360.0f;
    while (current_angle < 0.0f) current_angle += 360.0f;
}

int main() {
    stdio_init_all();

    gpio_init(DIR_PIN);
    gpio_set_dir(DIR_PIN, GPIO_OUT);
    configure_pwm();

    // printf("Stepper Motor Control\n");
    // printf("Step Angle: 1.8 degrees, Microstepping: 8, Pulses per Revolution: 1600\n");

    while (true) {

        rotate_motor(80);
        sleep_ms(1000);
        rotate_motor(-80);
        sleep_ms(1000);
    }

    return 0;
}

在這個示例中,我們使用兩個 PWM 通道來控制步進電機。一個通道用於生成步進脈衝,另一個通道用於控制步進電機的方向。我們通過設置脈衝的佔空比和頻率來生成所需的步進脈衝,並通過改變方向通道的電平來控制步進電機的旋轉方向。

備註

步進電機通常需要較高的電流驅動,因此建議使用專用的步進電機驅動器來控制步進電機。PWM 信號可以作為步進電機驅動器的輸入,用於控制步進脈衝和方向。

備註

生成步進脈衝的過程可以分為以下幾個步驟:

1. 設置步進引腳的 PWM 輸出電平為高電平（50% 佔空比）。
2. 延遲一段時間（脈衝的高電平持續時間）。
3. 設置步進引腳的 PWM 輸出電平為低電平。
4. 延遲一段時間（脈衝的低電平持續時間）。
5. 重複步驟 1-4,直到生成足夠數量的步進脈衝。

改變步進電機旋轉方向

pwm_set_chan_level(slice_num_dir, channel_dir, 65535);

生成完 200 個步進脈衝後,我們延遲 1 秒鐘,然後將方向引腳的 PWM 輸出電平設置為 65535,表示步進電機的反向旋轉。

接下來,我們再次生成 200 個步進脈衝,但這次步進電機將向相反方向旋轉。最後,我們再次延遲 1 秒鐘,然後重複整個過程。

程式碼中的數字參數

備註

這段程式碼中的數字參數的含義如下:

• 32768: 表示 50% 的 PWM 佔空比。因為我們將 PWM 計數器的最大值設置為 65535,所以 32768 大約是最大值的一半,對應 50% 的佔空比。
• 500: 表示步進脈衝的高電平和低電平持續時間,單位為微秒。這個值決定了步進電機的速度。增大這個值會降低步進電機的速度,減小這個值會提高步進電機的速度。
• 200: 表示生成的步進脈衝數量。這個值決定了步進電機旋轉的角度。增大這個值會增加步進電機旋轉的角度,減小這個值會減小步進電機旋轉的角度。
• 65535: 表示 PWM 計數器的最大值,也表示 100% 的 PWM 佔空比。當方向引腳的 PWM 輸出電平設置為 65535 時,表示步進電機的反向旋轉。

其他 PWM 配置

除了上述參數,我們還可以設置其他的 PWM 配置,例如:

• pwm_config_set_clkdiv: 設置 PWM 時鐘分頻器,可以改變 PWM 的頻率。增大分頻值會降低 PWM 頻率,減小分頻值會提高 PWM 頻率。
• pwm_config_set_phase_correct: 設置是否使用相位校正模式。在相位校正模式下,PWM 計數器在達到最大值後會向下計數,而不是直接重置為 0。這可以減少 PWM 輸出的尖峰噪聲。
• pwm_config_set_output_polarity: 設置 PWM 輸出的極性。可以選擇在 PWM 計數器達到比較值時輸出高電平還是低電平。

調整這些 PWM 配置可以改變 PWM 輸出的特性,從而影響步進電機的運行方式,如速度、扭矩、噪聲等。

警告

需要注意的是,這段程式碼只是一個基本的示例,用於演示如何使用 PWM 控制步進電機。在實際應用中,你可能需要根據具體的步進電機型號和驅動器來調整參數和設置,以獲得最佳的性能和可靠性。此外,步進電機通常需要較大的電流,因此建議使用專用的步進電機驅動器,而不是直接通過 PWM 引腳驅動。

控制伺服機

伺服機是一種常用的位置控制設備,通過改變 PWM 信號的脈寬來控制伺服機的角度。以下是一個使用 PWM 控制伺服機的示例:

#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pwm.h"

const uint SERVO_PIN = 2;

int main() {
    // 將伺服機引腳設置為 PWM 功能
    gpio_set_function(SERVO_PIN, GPIO_FUNC_PWM);

    // 獲取 PWM 切片編號和通道
    uint slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(SERVO_PIN);
    uint channel = pwm_gpio_to_channel(SERVO_PIN);

    // 配置 PWM 切片
    pwm_config config = pwm_get_default_config();
    pwm_config_set_wrap(&config, 19999);
    pwm_config_set_clkdiv(&config, 9.6f);
    pwm_init(slice_num, &config, true);

    while (1) {
        // 設置脈寬,控制伺服機角度
        pwm_set_chan_level(slice_num, channel, 1000); // 0 度
        sleep_ms(2000);
        pwm_set_chan_level(slice_num, channel, 1500); // 90 度
        sleep_ms(2000);
        pwm_set_chan_level(slice_num, channel, 2000); // 180 度
        sleep_ms(2000);
    }
}

在這個示例中,我們將伺服機連接到 GPIO2 引腳,並將其設置為 PWM 功能。我們配置 PWM 切片,設置包裹值為 19999,時鐘分頻器為 9.6,以獲得 50Hz 的 PWM 頻率。在主迴圈中,我們通過設置不同的脈寬來控制伺服機的角度。脈寬的典型值為 1000us（0 度）、1500us（90 度）和 2000us（180 度）,但具體值可能因伺服機型號而有所不同。

警告

伺服機的控制信號需要精確的脈寬和頻率,因此在配置 PWM 時需要仔細計算包裹值和時鐘分頻器,以獲得所需的脈寬和頻率。此外,伺服機通常需要單獨的電源供電,以提供足夠的電流。

使用 PWM 作為輸入捕獲

除了用於輸出控制信號,PWM 還可以作為輸入捕獲來檢測輸入信號的頻率、脈寬和佔空比。以下是一個使用 PWM 作為輸入捕獲的示例:

#include <stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pwm.h"
#include "hardware/clocks.h"

const uint INPUT_PIN = 2;

int main() {
    // 將輸入引腳設置為 PWM 功能
    gpio_set_function(INPUT_PIN, GPIO_FUNC_PWM);

    // 獲取 PWM 切片編號
    uint slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(INPUT_PIN);

    // 配置 PWM 切片作為輸入捕獲模式
    pwm_config config = pwm_get_default_config();
    pwm_config_set_clkdiv_mode(&config, PWM_DIV_B_RISING);
    pwm_init(slice_num, &config, false);
    
    // 使能輸入捕獲
    pwm_set_enabled(slice_num, true);

    while (1) {
        // 等待輸入信號
        while (!(pwm_get_status(slice_num) & PWM_CH0_CSR_RCIF_BITS));

        // 讀取輸入信號的頻率、脈寬和佔空比
        uint32_t period = pwm_get_counter(slice_num);
        uint32_t pulse_width = pwm_get_compare_counter(slice_num, 0);
        float frequency = clock_get_hz(clk_sys) / period;
        float duty_cycle = (float)pulse_width / period;

        printf("Frequency: %.2f Hz, Pulse Width: %u us, Duty Cycle: %.2f%%\n", 
               frequency, pulse_width, duty_cycle * 100);

        // 清除輸入捕獲中斷標誌
        pwm_clear_irq(slice_num);
    }
}

在這個示例中,我們將輸入信號連接到 GPIO2 引腳,並將其設置為 PWM 功能。我們配置 PWM 切片作為輸入捕獲模式,並使能輸入捕獲。在主迴圈中,我們等待輸入信號觸發輸入捕獲中斷,然後讀取輸入信號的頻率、脈寬和佔空比。頻率可以通過時鐘頻率除以週期計數器值來計算,脈寬可以直接從捕獲比較計數器中讀取,佔空比可以通過脈寬除以週期來計算。

備註

輸入捕獲模式下,PWM 切片會在輸入信號的上升沿或下降沿觸發輸入捕獲中斷,並記錄當前的計數器值。通過比較連續兩次捕獲的計數器值,可以計算出輸入信號的頻率、脈寬和佔空比。

總結

在本文中,我們詳細探討了如何在 RP2040 中使用 PWM 功能。除了之前介紹的基本用法,我們還深入講解了如何使用 PWM 控制直流電機、步進電機和伺服機,以及如何使用 PWM 作為輸入捕獲來檢測輸入信號的頻率、脈寬和佔空比。

通過學習本文提供的詳細解釋和示例代碼,你應該能夠掌握 RP2040 中 PWM 的各種用法,並將其應用到自己的嵌入式項目中。無論是電機控制、伺服機控制還是信號檢測,PWM 都是一個強大而靈活的工具。

希望本文能夠幫助你更好地理解和應用 RP2040 中的 PWM 功能。如果你有任何問題或建議,歡迎在評論區留言討論。