【Day19】:PWM输出-模拟类比讯号

PWM-脉冲宽度调变

我相信很多人在使用Arduion的时候还是不清楚PWM到底在干嘛?
PWM是一种可以将类比讯号以数位编码来表示的技术，而表示的方法就是利用高频率的方波，并时时的改变工作周期(duty cycle)，达到模拟类比讯号的效果。

为什麽这样的波形就可以模拟类比讯号的输出呢?
我们可以用LED来想像，如果波的频率很慢，例如1秒高电位1秒低电位，那我们肉眼就会看到灯泡闪烁，那如果频率超级高呢?例如频率是1MHz，也就是1秒钟高低电位变化一百万次，这已经远远的超出肉眼可以辨识的频率了，此时你就会看到LED的亮度变一半。我们可以调整一个周期内高电位的比率(这也就是duty cycle)，如果在一个周期内有90%的时间都是高电位的话，那自然灯泡的亮度就会比较亮。

如何描述一个方波

有两个参数，第一个就是频率，另一个就是工作周期(duty cycle)。假设一个PWM的频率是1kHz、工作周期为30%，那也就是一个波的周期是1ms，而在这一毫秒当中，有0.3ms是高电位。

Arduino的analogWrite输出的就是方波，而他预设的频率为490Hz不太能更动，而我们函式放的参数是0~255，这竟是调整工作周期，255时，工作周期为100%

PWM输出-设定

我们首先打开TIM2、CH1的PWM Output，选哪一个channel都没关系，只是不同channel会对应到不同的脚位(TIM2 CH1的脚位是PA0)，一样可以在底下configuration的GPIO setting里面找到。

方波的输出是利用timer,我们需要调整三个参数，PSC、ARR、与Pulse，这些参数与timer的使用相同，只有pulse是新的，在预设情形下CNT < Pulse的情况会是输出高电位，反之则输出低电位。
我们首先产生一个频率为1kHz，dutycycle为50%的方波。三个参数的配置如下：
PSC = 15
ARR = 1000
Pulse = 500
=>duty cycle = 500 / 1000 * 100% = 50%

程序

只需要一个函式就可以了!

HAL_TIM_PWM_Start(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel)

把它放在while回圈之前启动一次即可，第二个参数放你要启用哪一个频道，可以为TIM_CHANNEL_1~4，如果要一次启用多个也可以放TIM_CHANNEL_ALL。

HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
while (1)
{
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */

但是问题来了，你要如何知道你有正确输出呢?
有两种方式，一种是你直接拿电表测量，但这种方式你只会测量到平均出来的电压，一般GPIO的输出是3.3V，而我们设定的duty cycle = 50% 因此用电表量出来的电压应为3.3 * 0.5 = 1.65V。但是这种方式并不是很值观的看到我们的输出，也有可能它本身的输出就是1.65V啊。因此这时候我们就需要使用示波器，这真的可以说是一个很好用的工具，重要性不亚於三用电表。他也是我们debug的好工具。
在这里我们就不教学示波器的操作了，它的用法其实与三用电表很相似，只是它测量的频率非常高，并在萤幕上显示波形。底下是用示波器看到PA0这个脚位输出的波形，可以看到频率为1.005kHz，工作周期为49.93%与我们设定的值相当接近。

接下来还有一个问题，我们都知道伺服马达是透过不同的工作周期来调整角度，那我们要控制角度也就是要调整工作周期，因此我们要有办法更改pulse的值。

__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(__HANDLE__, __AUTORELOAD__) 
__HAL_TIM_SET_COMPARE(__HANDLE__, __CHANNEL__, __COMPARE__)

第一个函式可以改ARR的值，第二个函式可以修改Pulse的值。这里要注意的是，同一个timer，的ARR值是相同的，也就是说同一个timer，不同频道所产生的方波，频率皆相同。而Pulse则是每个频道独立的，因此我们可以再同一个timer中不同频道产生出不同工作周期的方波。
例如我们要修改TIM2的ARR值为50可以写成:

__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim2, 50);

而我们要修改TIM2的Channel 1的Pulse为50可以写成:

__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2,TIM_CHANNEL_1,50);

小结

学会这个功能之後，相当於解锁了新的领域，我们可以用来控制伺服马达、步进马达...，PWM的输出难度不大，只要稍微计算一下工作周期ARR、PSC、Pulse，来符合我们要的频率与工作周期即可。明天我们就来实际控制Servo!