張高興的 .NET Core IoT 入門指南：（五）PWM 信號輸出

什麼是 PWM

在解釋 PWM 之前首先來了解一下電路中信號的概念，其中包括模擬信號和數字信號。模擬信號是一種連續的信號，與連續函數類似，在圖形上表現爲一條不間斷的連續曲線。數字信號爲只能取有限個數值的信號，比如計算機中的高電平（1）和低電平（0）。

PWM（Pulse Width Modulation）即脈衝寬度調製，簡稱脈寬調製，通過對一系列的脈衝的寬度進行調製，從而等效出所需要的模擬信號。如圖 1 所示，藍色波形爲調製的一系列脈衝，紅色波形爲模擬的正弦樣信號。在模擬電路中，模擬信號的值可以連續進行變化，而數字電路是在高電平和低電平中取值，所以電壓或電流會以脈衝的形式出現。通過使用 PWM 技術，我們可以在數字電路中模擬出電信號的連續變化。

圖1：PWM 示意圖

  提示

看完上面的如果你還不明白，那麼可以看看下面這個生動的解釋，這個解釋來源於百度知道：

“簡單的說，比如你有5V電源，要控制一臺燈的亮度，有一個傳統辦法，就是串聯一個可調電阻，改變電阻，燈的亮度就會改變。還有一個辦法，就是PWM調節。不用串聯電阻，而是串聯一個開關。假設在1秒內，有0.5秒的時間開關是打開的，0.5秒關閉，那麼燈就亮0.5秒，滅0.5秒。這樣持續下去，燈就會閃爍。如果把頻率調高一點，比如是1毫秒，0.5毫秒開，0.5毫秒滅，那麼燈的閃爍頻率就很高。我們知道，閃爍頻率超過一定值，人眼就會感覺不到。所以，這時你看不到燈的閃爍，只看到燈的亮度只有原來的一半。同理，如果1毫秒內，0.1毫秒開，0.9毫秒滅，那麼，燈的亮度就只有原來的10分之一。”

使用 PWM 需要了解佔空比（Duty Cycle）和頻率（Frequency）的概念。佔空比即 PWM 信號在一個週期內處於高電平的時間與整個週期的時間的比值。在 5V 電源的情況下，想要產生一個 3V 的信號，可以使用佔空比爲 60％ 的 PWM。圖 2 從波形的角度解釋了 PWM。頻率是 PWM 信號在 1 秒內完成一個週期的次數，單位是 Hz。如果輸出的頻率夠高並保持一定的佔空比，就可以模擬出恆定電壓。圖 3 對比了小燈亮度的變化與佔空比的變化，通過觀察圖右側的 PWM 波形可以看到佔空比越高小燈越亮。

圖2：佔空比示意圖

圖3：小燈亮度變化與佔空比變化對比

Raspberry Pi 上提供了硬件 PWM 功能，一共包括 2 個通道，引出了 4 個 GPIO 引腳。其中 GPIO 12 和 GPIO 18 屬於通道 0，GPIO 13 和 GPIO 19 屬於通道 1。但有意思的是隻有通道 0 的 GPIO 18 引腳的默認功能爲 PWM，其他的不是被音頻處理所佔用，就是引腳另有它用。啓用這些引腳需要進行一些特殊配置甚至內核編程。

  提示

如何啓用 Raspberry Pi 上的 PWM ？

修改 /boot/config.txt ，添加 dtoverlay=pwm 。

啓用 PWM 通道 1 請參考：https://github.com/raspberrypi/firmware/issues/1178

修改 GPIO 引腳功能請參考：https://www.dummies.com/computers/raspberry-pi/raspberry-pi-gpio-pin-alternate-functions 和 http://abyz.me.uk/rpi/pigpio/pigs.html

相關類

PWM 操作的相關類位於 System.Device.Pwm 命名空間下。

PwmChannel

public class PwmChannel : IDisposable
{
    // 創建 PwmChannel 對象
    // chip 爲 PWM 芯片編號，Linux 下位於 /sys/class/pwm 文件夾下
    // channel 爲 通道編號
    public static PwmChannel Create(int chip, int channel, int frequency = 400, double dutyCycle = 0.5);

    // 佔空比，取值爲 0.0 - 1.0
    public double DutyCycle { get; set; }
    // 頻率，單位爲 Hz
    public int Frequency { get; set; }

    // 打開和關閉 PWM 通道
    public void Start();
    public void Stop();
}

PWM 的使用步驟

1. 實例化一個 PwmChannel 對象

PwmChannel pwm = PwmChannel.Create(chip: 0, channel: 0, frequency: 400, dutyCycle: 0);

1. 打開 PWM 通道

pwm.Start();

1. 設置佔空比/頻率改變輸出的 PWM 信號

pwm.DutyCycle = 0.5;

1. 關閉 PWM 通道

pwm.Stop();

使用硬件 PWM 控制 LED 的亮度

硬件需求

名稱	數量
LED	x1
220 Ω 電阻	x1
杜邦線	若干

電路

• LED 正極 - GPIO 18 (Pin 12)
• LED 負極 - GND

使用 Docker 運行示例

示例地址：https://github.com/ZhangGaoxing/dotnet-core-iot-demo/tree/master/src/PwmLed

docker build -t pwm-led-sample -f Dockerfile .
docker run --rm -it -v=/sys/class/pwm:/sys/class/pwm --privileged=true pwm-led-sample

代碼

1. 打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制檯應用程序，項目名稱爲“PwmLed”。
2. 引入 System.Device.Gpio NuGet 包。
3. 在 Program.cs 中，將主函數代碼替換如下：

static void Main(string[] args)
{
    int brightness = 0;
    using PwmChannel pwm = PwmChannel.Create(chip: 0, channel: 0, frequency: 400, dutyCycle: 0);

    pwm.Start();

    while (brightness != 255)
    {
        pwm.DutyCycle = brightness / 255D;

        brightness++;
        Thread.Sleep(10);
    }

    while (brightness != 0)
    {
        pwm.DutyCycle = brightness / 255D;

        brightness--;
        Thread.Sleep(10);
    }

    pwm.Stop();
}

1. 發佈、拷貝、更改權限、運行

效果圖

使用軟件 PWM 控制 RGB LED

上面提到 Raspberry Pi 中默認只有 GPIO 18 這一個引腳可以使用 PWM，要控制 RGB LED 則至少需要使用 3 個 PWM，這顯然是不夠用的。在 Iot.Device.Bindings 這個 NuGet 包中爲我們提供了使用 GPIO 模擬的軟件 PWM 類 SoftwarePwmChannel 。軟件 PWM 的使用效果並沒有硬件 PWM 的那種“順滑”，因爲其精度完全取決於 GPIO 的速度。

  提示

RGB LED 有三種顏色，但通常只有 4 個引腳，而三種單色 LED 卻有 6 個引腳，爲什麼會少了 2 個引腳？RGB LED 分爲共陽極和共陰極。如果少的兩個引腳爲陽極，則爲共陽極 RGB LED，三個單色 LED 共用一個陽極，剩下的三個引腳爲各自的陰極。共陰極 RGB LED 則相反。兩種 LED 在使用上類似，但程序相反，比如共陰極時佔空比越高 LED 越亮，而共陽極時，佔空比越高則 LED 越暗。

硬件需求

名稱	數量
RGB LED	x1
220 Ω 電阻	x3
杜邦線	若干

電路

• LED R - GPIO 18 (Pin 12)
• LED G - GPIO 23 (Pin 16)
• LED B - GPIO 24 (Pin 18)
• LED 陰極 - GND

使用 Docker 運行示例

示例地址：https://github.com/ZhangGaoxing/dotnet-core-iot-demo/tree/master/src/PwmRgb

docker build -t pwm-rgb-sample -f Dockerfile .
docker run --rm -it --device /dev/gpiomem pwm-rgb-sample

代碼

1. 打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制檯應用程序，項目名稱爲“PwmRgb”。
2. 引入 Iot.Device.Bindings NuGet 包。
3. 在 Program.cs 中，將主函數代碼替換如下：

static void Main(string[] args)
{
    using PwmChannel red = new SoftwarePwmChannel(pinNumber: 18, frequency: 400, dutyCycle: 0);
    using PwmChannel green = new SoftwarePwmChannel(pinNumber: 23, frequency: 400, dutyCycle: 0);
    using PwmChannel blue = new SoftwarePwmChannel(pinNumber: 24, frequency: 400, dutyCycle: 0);

    red.Start();
    green.Start();
    blue.Start();

    Breath(red, green, blue);

    red.Stop();
    green.Stop();
    blue.Stop();
}

public static void Breath(PwmChannel red, PwmChannel green, PwmChannel blue)
{
    int r = 255, g = 0, b = 0;

    while (r != 0 && g != 255)
    {
        red.DutyCycle = r / 255D;
        green.DutyCycle = g / 255D;

        r--;
        g++;
        Thread.Sleep(10);
    }

    while (g != 0 && b != 255)
    {
        green.DutyCycle = g / 255D;
        blue.DutyCycle = b / 255D;

        g--;
        b++;
        Thread.Sleep(10);
    }

    while (b != 0 && r != 255)
    {
        blue.DutyCycle = b / 255D;
        red.DutyCycle = r / 255D;

        b--;
        r++;
        Thread.Sleep(10);
    }
}

1. 發佈、拷貝、更改權限、運行

效果圖

供參考

1. Pulse-width modulation - Wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation
2. RPI4 : PWM0 & PWM1 Alternate pins - GitHub：https://github.com/raspberrypi/firmware/issues/1178
3. Raspberry Pi GPIO Pin Alternate Functions：https://www.dummies.com/computers/raspberry-pi/raspberry-pi-gpio-pin-alternate-functions/
4. PWM source code：https://github.com/dotnet/iot/tree/master/src/System.Device.Gpio/System/Device/Pwm
5. 脈衝寬度調製 - 百度百科：https://baike.baidu.com/item/脈衝寬度調製/10813756