Arduino系列教程之 – PWM 的祕密（下）

時間 2019-11-11

標籤 arduino 系列教程 pwm 祕密简体版

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由動力老男孩發表於 2011/04/20 00:27:57

今天看了看以前的博客，赫然發現有個PWM的祕密（上），第二部分竟然被我忘掉了，主要是這個部分實在不太好理解，能夠認爲是Arduino PWM的提升篇。說實話大部分兄弟平時應該是用不上的，不過能夠先收起來，之後真遇到了能知道是怎麼回事。 git

Atmega 168/328的時鐘們
ATmega328P有三個時鐘，Timer0，Timer1和Timer2。每一個時鐘都有兩個比較寄存器，能夠同時支持兩路輸出。其中比較寄存器用於控制PWM的佔空比，具體的原理等會兒會介紹。大多數狀況下，每一個時鐘的兩路輸出會有相同的頻率，可是能夠有不一樣的佔空比（取決於那兩個比較寄存器的設置）程序員

每一個時鐘都有一個「預約標器」，它的做用是設置timer的時鐘週期，這個週期通常是有Arduino的系統時鐘除以一個預設的因子來實現的。這個因子通常是1,8,64,256或1024這樣的數值。Arduino的系統時鐘週期是16MHz，因此這些Timer的頻率就是系統時鐘除以這個預設值的標定值。須要注意的是，Timer2的時鐘標定值是獨立的，而Timer0和Timer1使用的是相同的。函數

這些時鐘均可以有多種不一樣的運行模式。常見的模式包括「快速PWM」和「相位修正PWM」，這兩種PWM的定義也會在後面解釋。這些時鐘能夠從0計數到255，也能夠計數到某個指定的值。例如16位的Timer1就能夠支持計數到16位（2個字節）。 ui

除了比較寄存器外，還有一些其餘的寄存器用來控制時鐘。例如TCCRnA和TCCRnB就是用來設置時鐘的計數位數。這些寄存器包含了不少位（bit），它們分別的做用以下：
脈衝生成模式控制位（WGM）：用來設置時鐘的模式
時鐘選擇位（CS）：設置時鐘的預約標器
輸出模式控制位（COMnA和COMnB）：使能/禁用/反相輸出A和輸出B
輸出比較器（OCRnA和OCRnB）：當計數器等於這兩個值時，輸出值根據不一樣的模式進行變化 spa

不一樣時鐘的這些設置位稍有不一樣，因此使用的時候須要查一下資料。其中Timer1是一個16位的時鐘，Timer2可使用不一樣的預約標器。翻譯

快速PWM
對於快速PWM來講，時鐘都是從0計數到255。當計數器=0時，輸出高電平1，當計數器等於比較寄存器時，輸出低電平0。因此輸出比較器越大，佔空比越高。這就是傳說中的快速PWM模式。後面的例子會解釋如何用OCRnA和OCRnB設置兩路輸出的佔空比。很明顯這種狀況下，這兩路輸出的週期是相同的，只是佔空比不一樣。 code

快速PWM的例子
下面這個例子以Timer2爲例，把Pin3和Pin11做爲快速PWM的兩個輸出管腳。其中：
WGM的設置爲011，表示選擇了快速PWM模式；
COM2A和COM2B設置爲10，表示A和B輸出都是非反轉的PWM；
CS的設置爲100，表示時鐘週期是系統時鐘的1/64；
OCR2A和OCR2B分別是180和50，表示兩路輸出的佔空比；開發

pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(11, OUTPUT);
TCCR2A = _BV(COM2A1) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM21) | _BV(WGM20);
TCCR2B = _BV(CS22);
OCR2A = 180;
OCR2B = 50;

pinMode(3, OUTPUT);
  pinMode(11, OUTPUT);
  TCCR2A = _BV(COM2A1) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM21) | _BV(WGM20);
  TCCR2B = _BV(CS22);
  OCR2A = 180;
  OCR2B = 50;

這段代碼看上去有點暈，其實很簡單。_BV(n)的意思就是1< COM2A1，表示COM2A的第1位（靠，實際上是第2位，不過程序員們是從0開始數數的）。因此_BV(COM2A1)表示COM2A = 10；
相似的，_BV(WGM21) | _BV(WGM20) 表示 WGM2 = 011。 get

在Arduino Duemilanove開發板，上面這幾行代碼的結果爲：
輸出 A 頻率: 16 MHz / 64 / 256 = 976.5625Hz
輸出 A 佔空比: (180+1) / 256 = 70.7%
輸出 B 頻率: 16 MHz / 64 / 256 = 976.5625Hz
輸出 B 佔空比: (50+1) / 256 = 19.9% 博客

頻率的計算裏都除以了256，這是由於除以64是獲得了時鐘的計數週期，而256個計數週期是一個循環，因此PWM的週期指的是這個循環。
另外，佔空比的計算都加了1，這個仍是由於無聊的程序員們都從0開始計數。

相位修正PWM
另一種PWM模式是相位修正模式，也有人把它叫作「雙斜率PWM」。這種模式下，計數器從0數到255，而後從255再倒數到0。當計數器在上升過程當中遇到比較器的時候，輸出0；在降低過程當中遇到比較器的時候，輸出1。說實話，我以爲這種模式除了頻率下降了一倍以外，沒看出和快速PWM有什麼區別。多是在集成電路的底層級別上有區別吧。原文說「它具備更加對稱的輸出」，好吧，也許老外都比較傻吧。

相位修正PWM的例子
下面的例子仍是以Timer2爲例，設置Pin3和Pin11爲輸出管腳。其中WGM設置爲001，表示相位修正模式，其餘位設置和前面的例子相同：

pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(11, OUTPUT);
TCCR2A = _BV(COM2A1) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM20);
TCCR2B = _BV(CS22);
OCR2A = 180;
OCR2B = 50;

pinMode(3, OUTPUT);
  pinMode(11, OUTPUT);
  TCCR2A = _BV(COM2A1) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM20);
  TCCR2B = _BV(CS22);
  OCR2A = 180;
  OCR2B = 50;

在Arduino Duemilanove開發板，上面這幾行代碼的結果爲：

輸出 A 頻率: 16 MHz / 64 / 255 / 2 = 490.196Hz
輸出 A 佔空比: 180 / 255 = 70.6%
輸出 B 頻率: 16 MHz / 64 / 255 / 2 = 490.196Hz
輸出 B 佔空比: 50 / 255 = 19.6%

這裏的頻率計數又多除了一個2，緣由上面解釋過了。佔空比的計算不用加1了，緣由本身掰手指頭算算就知道了

快速PWM下，修改時鐘的計數上限
快速PWM和相位修正PWM均可以從新設置輸出的頻率，先看看快速PWM是如何設置的。在修改頻率的模式下，時鐘從0開始計數到OCRA而不是255，注意這個OCRA咱們以前是用來作比較用的。這樣一來，頻率的設置就很是靈活了。對Timer1來講，OCRA能夠設置到16位（應該是0~65535)

等等，OCRA用來設置總數了，那麼誰用來作比較捏？好吧，靈活的代價就是這種模式下，只能輸出一路PWM。即OCRA用來設置總數，OCRB用來設置比較器。
儘管如此，無孔不入的程序員們依然仍是設置了一種特殊的模式，每次計數器數到頭的時候，輸出A作一次反相，這樣能湊合輸出一個佔空比爲50%的方波。

下面的例子中，咱們依然使用Timer2，Pin3和Pin11。其中OCR2A用來設置週期和頻率，OCR2B用來設置Ｂ的佔空比，同時A輸出50%的方波。具體的設置是：
WGM設置爲111表示「OCRA控制計數上限的快速PWM」；
OCR2A設置爲180，表示從0數到180；
OCR2B設置比較器爲50；
COM2A設置爲01，表示OCR2A「當數到頭是反相」，用來輸出50%的方波（其中WGM被設置到了兩個變量裏）；

pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(11, OUTPUT);
TCCR2A = _BV(COM2A0) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM21) | _BV(WGM20);
TCCR2B = _BV(WGM22) | _BV(CS22);
OCR2A = 180;
OCR2B = 50;

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開發板，上面這幾行代碼的結果爲：

輸出 A 頻率: 16 MHz / 64 / (180+1) / 2 = 690.6Hz
輸出 A 佔空比: 50%
輸出 B 頻率: 16 MHz / 64 / (180+1) = 1381.2Hz
輸出 B 佔空比: (50+1) / (180+1) = 28.2%

其中頻率的計算用了180+1，依然是數數的問題；A輸出的頻率是B輸出的一半，由於輸出A每兩個大週期才能循環一次。

相位修正PWM下，修改時鐘的計數上限
相似的，相位修正模式下，也能夠修改輸出PWM的頻率。代碼幾乎徹底和上個例子同樣，區別是WGM的值設置爲101：

pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(11, OUTPUT);
TCCR2A = _BV(COM2A0) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM20);
TCCR2B = _BV(WGM22) | _BV(CS22);
OCR2A = 180;
OCR2B = 50;

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開發板，上面這幾行代碼的結果爲：

輸出 A 頻率: 16 MHz / 64 / 180 / 2 / 2 = 347.2Hz
輸出 A 佔空比: 50%
輸出 B 頻率: 16 MHz / 64 / 180 / 2 = 694.4Hz
輸出 B 佔空比: 50 / 180 = 27.8%

跟以前的對比相似，相位修正模式下，一個大週期從0數到180，而後倒數到0，總共是360個時鐘週期；而在快速PWM模式下，一個週期是從0數到180，其實是181個時鐘週期。這可能就是鬼子們說的「更加對稱」的好處，好吧，可能老外們其實並不傻。

數不清楚這二者區別的同窗，能夠用OCRA=3爲例：
快速PWM：0123-0123-0123….. 每一個週期時鐘數是4=3+1
相位修正：012321-012321-012321….每一個週期時鐘數是6=3*2

相應的佔空比計算也有微小的區別，快速PWM模式下，高位的輸出會多一個時鐘週期。上面的這個例子，以比較器=1爲例：
快速PWM：當計數器=1時反相，這時候已經經歷了2個時鐘週期，因此佔空比是2/4
相位修正：計數器0到1時輸出0，計數器1到0時輸出1，佔空比是1/3

一些其餘的說明

前面的程序有一個很是疑惑的問題：Pin3和Pin11是怎麼和Timer2對應上的呢？這個只能查表了，並非任意對應的：
時鐘輸出 | Arduino輸出Pin編號 | 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

通常來講，普通用戶是不須要設置這些時鐘參數。Arduino默認有一些設置，全部的時鐘週期都是系統週期的1/64。Timer0默認是快速PWM，而Timer1和Timer2默認是相位修正PWM。具體的設置能夠查看Arduino源代碼中writing.c的設置。

須要特別特別注意的是，Arduino的開發系統中，millis()和delay()這兩個函數是基於Timer0時鐘的，因此若是你修改了Timer0的時鐘週期，這兩個函數也會受到影響。直接的效果就是delay(1000)再也不是標準的1秒，也許會變成1/64秒，這個須要特別注意。

在程序中使用analogWrite(pin, duty_cycle)函數的時候，就啓動了PWM模式；當調用digitalWrite()函數時則取消了PWM模式。請參考wiring_analog.c和 wiring_digital.c文件。

還有一件頗有意思的現象，對於快速PWM模式，若是咱們設置analogWrite(5, 0)，實際上應該有1/256的佔空比，事實上你會發現輸出的是永遠低電平的0。這個其實是在Arduino系統中強制設定的，若是發現輸入的是0，那麼就關閉PWM。隨之而來的問題是，若是咱們設置analogWrite(5, 1)，那麼佔空比是多少呢？答案是2/256，也就是說0和1之間是有一個跳躍

翻譯了半天已經暈頭轉向了，最後再提醒一點，不是全部的參數配置均可以隨意組合的。例如COM2A=01只有在WGM是111或者101時纔有效，具體怎麼用，仍是去官網查表吧

原文連接：http://arduino.cc/en/Tutorial/SecretsOfArduinoPWM