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[基础知识] Arduino系列教程之二——PWM的秘密(下)

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今天看了看之前的博客,赫然发现有个PWM的秘密(上),第二部分居然被我忘掉了,主要是这个部分实在不太好理解,可以认为是Arduino PWM的提高篇。说实话大部分兄弟平时应该是用不上的,不过可以先收起来,以后真遇到了能知道是怎么回事。

Atmega 168/328的时钟们
ATmega328P有三个时钟,Timer0,Timer1和Timer2。每个时钟都有两个比较寄存器,可以同时支持两路输出。其中比较寄存器用于控制PWM的占空比,具体的原理等会儿会介绍。大多数情况下,每个时钟的两路输出会有相同的频率,但是可以有不同的占空比(取决于那两个比较寄存器的设置)


每个时钟都有一个“预定标器”,它的作用是设置timer的时钟周期,这个周期一般是有Arduino的系统时钟除以一个预设的因子来实现的。这个因子一般是1,8,64,256或1024这样的数值。Arduino的系统时钟周期是16MHz,所以这些Timer的频率就是系统时钟除以这个预设值的标定值。需要注意的是,Timer2的时钟标定值是独立的,而Timer0和Timer1使用的是相同的。


这些时钟都可以有多种不同的运行模式。常见的模式包括“快速PWM”和“相位修正PWM”,这两种PWM的定义也会在后面解释。这些时钟可以从0计数到255,也可以计数到某个指定的值。例如16位的Timer1就可以支持计数到16位(2个字节)。


除了比较寄存器外,还有一些其他的寄存器用来控制时钟。例如TCCRnA和TCCRnB就是用来设置时钟的计数位数。这些寄存器包含了很多位(bit),它们分别的作用如下:
脉冲生成模式控制位(WGM):用来设置时钟的模式
时钟选择位(CS):设置时钟的预定标器
输出模式控制位(COMnA和COMnB):使能/禁用/反相 输出A和输出B
输出比较器(OCRnA和OCRnB):当计数器等于这两个值时,输出值根据不同的模式进行变化


不同时钟的这些设置位稍有不同,所以使用的时候需要查一下资料。其中Timer1是一个16位的时钟,Timer2可以使用不同的预定标器。


快速PWM
对于快速PWM来说,时钟都是从0计数到255。当计数器=0时,输出高电平1,当计数器等于比较寄存器时,输出低电平0。所以输出比较器越大,占空比越高。这就是传说中的快速PWM模式。后面的例子会解释如何用OCRnA和OCRnB设置两路输出的占空比。很明显这种情况下,这两路输出的周期是相同的,只是占空比不同。


快速PWM的例子
下面这个例子以Timer2为例,把Pin3和Pin11作为快速PWM的两个输出管脚。其中:
WGM的设置为011,表示选择了快速PWM模式;
COM2A和COM2B设置为10,表示A和B输出都是非反转的PWM;
CS的设置为100,表示时钟周期是系统时钟的1/64;
OCR2A和OCR2B分别是180和50,表示两路输出的占空比;
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pinMode(3, OUTPUT);  
pinMode(11, OUTPUT);  
TCCR2A = _BV(COM2A1) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM21) | _BV(WGM20);  
TCCR2B = _BV(CS22);  
OCR2A = 180;  
OCR2B = 50; 


这段代码看上去有点晕,其实很简单。_BV(n)的意思就是1<<n,是移位命令。
COM2A1,表示COM2A的第1位(靠,其实是第2位,不过程序员们是从0开始数数的)。所以_BV(COM2A1)表示COM2A = 10;
类似的,_BV(WGM21) | _BV(WGM20) 表示 WGM2 = 011。</n,是移位命令。


在Arduino Duemilanove开发板,上面这几行代码的结果为:
输出 A 频率: 16 MHz / 64 / 256 = 976.5625Hz
输出 A 占空比: (180+1) / 256 = 70.7%
输出 B 频率: 16 MHz / 64 / 256 = 976.5625Hz
输出 B 占空比: (50+1) / 256 = 19.9%


频率的计算里都除以了256,这是因为除以64是得到了时钟的计数周期,而256个计数周期是一个循环,所以PWM的周期指的是这个循环。
另外,占空比的计算都加了1,这个还是因为无聊的程序员们都从0开始计数。

相位修正PWM
另外一种PWM模式是相位修正模式,也有人把它叫做“双斜率PWM”。这种模式下,计数器从0数到255,然后从255再倒数到0。当计数器在上升过程中遇到比较器的时候,输出0;在下降过程中遇到比较器的时候,输出1。说实话,我觉得这种模式除了频率降低了一倍之外,没看出和快速PWM有什么区别。可能是在集成电路的底层级别上有区别吧。原文说“它具有更加对称的输出”,好吧,也许老外都比较傻吧。


相位修正PWM的例子
下面的例子还是以Timer2为例,设置Pin3和Pin11为输出管脚。其中WGM设置为001,表示相位修正模式,其他位设置和前面的例子相同:
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pinMode(3, OUTPUT);  
pinMode(11, OUTPUT);  
TCCR2A = _BV(COM2A1) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM20);  
TCCR2B = _BV(CS22);  
OCR2A = 180;  
OCR2B = 50;  



在Arduino Duemilanove开发板,上面这几行代码的结果为:


输出 A 频率: 16 MHz / 64 / 255 / 2 = 490.196Hz
输出 A 占空比: 180 / 255 = 70.6%
输出 B 频率: 16 MHz / 64 / 255 / 2 = 490.196Hz
输出 B 占空比: 50 / 255 = 19.6%


这里的频率计数又多除了一个2,原因上面解释过了。占空比的计算不用加1了,原因自己掰手指头算算就知道了


快速PWM下,修改时钟的计数上限
快速PWM和相位修正PWM都可以重新设置输出的频率,先看看快速PWM是如何设置的。在修改频率的模式下,时钟从0开始计数到OCRA而不是255,注意这个OCRA我们之前是用来做比较用的。这样一来,频率的设置就非常灵活了。对Timer1来说,OCRA可以设置到16位(应该是0~65535)


等等,OCRA用来设置总数了,那么谁用来做比较捏?好吧,灵活的代价就是这种模式下,只能输出一路PWM。即OCRA用来设置总数,OCRB用来设置比较器。
尽管如此,无孔不入的程序员们依然还是设置了一种特殊的模式,每次计数器数到头的时候,输出A做一次反相,这样能凑合输出一个占空比为50%的方波。


下面的例子中,我们依然使用Timer2,Pin3和Pin11。其中OCR2A用来设置周期和频率,OCR2B用来设置B的占空比,同时A输出50%的方波。具体的设置是:
WGM设置为111表示“OCRA控制计数上限的快速PWM”;
OCR2A设置为180,表示从0数到180;
OCR2B设置比较器为50;
COM2A设置为01,表示OCR2A“当数到头是反相”,用来输出50%的方波(其中WGM被设置到了两个变量里);


[AppleScript] 纯文本查看 复制代码
pinMode(3, OUTPUT);  
pinMode(11, OUTPUT);  
TCCR2A = _BV(COM2A0) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM21) | _BV(WGM20);  
TCCR2B = _BV(WGM22) | _BV(CS22);  
OCR2A = 180;  
OCR2B = 50;



在Arduino Duemilanove开发板,上面这几行代码的结果为:


输出 A 频率: 16 MHz / 64 / (180+1) / 2 = 690.6Hz
输出 A 占空比: 50%
输出 B 频率: 16 MHz / 64 / (180+1) = 1381.2Hz
输出 B 占空比: (50+1) / (180+1) = 28.2%


其中频率的计算用了180+1,依然是数数的问题;A输出的频率是B输出的一半,因为输出A每两个大周期才能循环一次。

相位修正PWM下,修改时钟的计数上限
类似的,相位修正模式下,也可以修改输出PWM的频率。代码几乎完全和上个例子一样,区别是WGM的值设置为101:
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pinMode(3, OUTPUT);  
pinMode(11, OUTPUT);  
TCCR2A = _BV(COM2A0) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM20);  
TCCR2B = _BV(WGM22) | _BV(CS22);  
OCR2A = 180;  
OCR2B = 50;  


在Arduino Duemilanove开发板,上面这几行代码的结果为:


输出 A 频率: 16 MHz / 64 / 180 / 2 / 2 = 347.2Hz
输出 A 占空比: 50%
输出 B 频率: 16 MHz / 64 / 180 / 2 = 694.4Hz
输出 B 占空比: 50 / 180 = 27.8%


跟之前的对比类似,相位修正模式下,一个大周期从0数到180,然后倒数到0,总共是360个时钟周期;而在快速PWM模式下,一个周期是从0数到180,实际上是181个时钟周期。这可能就是鬼子们说的“更加对称”的好处,好吧,可能老外们其实并不傻。


数不清楚这两者区别的同学,可以用OCRA=3为例:
快速PWM:0123-0123-0123….. 每个周期时钟数是4=3+1
相位修正:012321-012321-012321….每个周期时钟数是6=3*2


相应的占空比计算也有微小的区别,快速PWM模式下,高位的输出会多一个时钟周期。上面的这个例子,以比较器=1为例:
快速PWM:当计数器=1时反相,这时候已经经历了2个时钟周期,所以占空比是2/4
相位修正:计数器0到1时输出0,计数器1到0时输出1,占空比是1/3


一些其他的说明


前面的程序有一个非常疑惑的问题:Pin3和Pin11是怎么和Timer2对应上的呢?这个只能查表了,并不是任意对应的:
时钟输出 | Arduino输出Pin编号 | 芯片Pin | Pin name
OC0A 6 12 PD6
OC0B 5 11 PD5
OC1A 9 15 PB1
OC1B 10 16 PB2
OC2A 11 17 PB3
OC2B 3 5 PD3


一般来说,普通用户是不需要设置这些时钟参数。Arduino默认有一些设置,所有的时钟周期都是系统周期的1/64。Timer0默认是快速PWM,而Timer1和Timer2默认是相位修正PWM。具体的设置可以查看Arduino源代码中writing.c的设置。


需要特别特别注意的是,Arduino的开发系统中,millis()和delay()这两个函数是基于Timer0时钟的,所以如果你修改了Timer0的时钟周期,这两个函数也会受到影响。直接的效果就是delay(1000)不再是标准的1秒,也许会变成1/64秒,这个需要特别注意。


在程序中使用analogWrite(pin, duty_cycle)函数的时候,就启动了PWM模式;当调用digitalWrite()函数时则取消了PWM模式。请参考wiring_analog.c和 wiring_digital.c文件。


还有一件很有意思的现象,对于快速PWM模式,如果我们设置analogWrite(5, 0),实际上应该有1/256的占空比,事实上你会发现输出的是永远低电平的0。这个实际上是在Arduino系统中强制设定的,如果发现输入的是0,那么就关闭PWM。随之而来的问题是,如果我们设置analogWrite(5, 1),那么占空比是多少呢?答案是2/256,也就是说0和1之间是有一个跳跃


翻译了半天已经晕头转向了,最后再提醒一点,不是所有的参数配置都可以随意组合的。例如COM2A=01只有在WGM是111或者101时才有效,具体怎么用,还是去官网查表吧


Arduino官网链接:http://arduino.cc/en/Tutorial/SecretsOfArduinoPWM

Blabber  学徒

发表于 2014-11-11 10:59:17

感谢楼主!
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Phoebe  管理员
 楼主|

发表于 2014-11-12 14:44:23


好东西要拿出来分享{:2_27:}
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大连林海  初级技神

发表于 2015-2-8 15:37:27

分享给猫友汇的老师学习啦
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丄帝De咗臂  版主

发表于 2015-4-15 20:35:17

虽然没完全看懂,但是结合PWM上篇,也能理解一部分,总之感谢楼主,比我直接看官网英文版酸爽得多
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