AVR单片机教程——PWM调光

本文隶属于AVR单片机教程系列。

 

PWM

两位数码管的驱动方式是动态扫描，每一位都只有50%的时间是亮的，我们称这个数值为其占空比。让引脚输出高电平点亮LED，占空比就是100%。

在驱动数码管时，我们迫不得已使占空比为50%，因为不能让两位真正同时地显示不同的数字。但是，我们也可以有意地让LED的占空比不到100%，以降低其亮度。

占空比是可以用程序来调节的。下面的程序允许用户用按键调整蓝色LED的占空比，并通过数码管来显示。

#include <ee1/ee.h>

#define DUTY_MAX 9

int main()
{
    led_init();
    button_init(PIN_NULL, PIN_NULL);
    segment_init(PIN_NULL, PIN_8);
    uint8_t duty = 0;
    while (1)
    {
        if (button_pressed(BUTTON_0) && duty > 0)
            --duty;
        if (button_pressed(BUTTON_1) && duty < DUTY_MAX)
            ++duty;
        segment_dec(duty);
        segment_display(SEGMENT_DIGIT_R);
        for (uint8_t i = 0; i != DUTY_MAX; ++i)
        {
            if (i < duty)
                led_set(LED_BLUE, true);
            else
                led_set(LED_BLUE, false);
            delay(1);
        }
    }
}

duty是一个整数，取值范围为0到9，分别表示LED的占空比为0/9到9/9。比如，当占空比为4/9时，在9毫秒的周期中，前4毫秒LED亮，后5毫秒LED不亮。

可以看见，占空比越大，LED亮度也越高。原来，在亮与暗之间，LED还有中间的状态。我们不是通过让引脚输出一个0V和5V之间的电压，而是让引脚电平迅速地在高低之间变化来实现的。

这种通过电平的快速跳变来实现模拟量效果的技术，称为脉冲宽度调制，简称PWM。

定时器

大多数单片机的定时器都可以输出PWM波，外设丰富的AVR单片机自然不例外。上一讲提到定时器0有四种工作模式，后两种就是快速PWM模式与相位修正PWM模式。

在快速PWM模式中，TCNT0寄存器的动作与普通模式相同，但还可以把OCR0A作为上限。对于非反转输出，TCNT0达到上限并清零后，引脚会输出高电平；而当TCNT0与OCR0A或OCR0B匹配时，OC0A和OC0B会分别输出低电平；对于反转输出，前者为低，后者为高。一般使用非反转，输出PWM波的频率为\(f_{CPU} / 256N\)（对于上限为255的情况；\(N\)为分频系数），占空比为\((OCR0x + 1) / 256\)。由于占空比分母256为2的8次方，这个PWM输出是8位分辨率的。

相位修正PWM主要用于电机控制等对PWM波的形状要求比较严格的场合，这里不细讲。定时器1有更多工作模式，定时器2的时钟系统更为丰富，你可以在数据手册中一探究竟。

库

在占空比公式\((OCR0x + 1) / 256\)中，OCR0x可以取0到255的值，因此占空比可以达到1，PWM模式下LED可达最大亮度；占空比不能达到0，因此用PWM控制的LED不能全暗。这有点麻烦，必须关掉PWM才能使LED暗，而不仅仅是往OCR0x中写入一个值了。为了日后使用方便，我们用函数把寄存器操作包装起来（整个库都在做这件事）。

在Atmel Studio中，静态库与可执行程序都属于project，可以并列存在于solution中。在上面软件PWM的程序所属的solution中，点击菜单栏File->New->Project（或Ctrl+Shift+N），选择“GCC C Static Library Project”，命名为“pwm”，在“Solution:”中选择“Add to solution”，“OK”后选择MCU型号，静态库项目就创建好了，默认带有一个library.c文件。

在“Solution Explorer”中，将library.c重命名为oc0a.c。选中“pwm”项目，右键->Add->New Item或菜单栏->Project->Add New Item或Ctrl+Shift+A，选择“Include File”，命名为oc0a.h（通常取相同的名字，但不是必须的）。

这个库需要提供两个函数：oc0a_init用于将OC0A引脚配置为PWM输出，oc0a_pwm设置输出PWM占空比，参数为一个无符号8位整数。

// oc0a.h

#ifndef OC0A_H
#define OC0A_H

#include <stdint.h>

/*
 * 函数：oc0a_init
 * 参数：无
 * 返回：void
 * 功能：将OC0A引脚配置为PWM输出，占空比为0。
 */
void oc0a_init();

/*
 * 函数：oc0a_pwm
 * 参数：uint8_t _duty - 占空比的整数表示
 * 返回：void
 * 功能：将OC0A引脚输出PWM波的占空比设置为(_duty / 256)。
 */
void oc0a_pwm(uint8_t _duty);

#endif

在头文件oc0a.h中，我们定义了这两个函数，并以注释形式提供了说明，包括参数、返回值与功能。

然后，在oc0a.c中提供这些函数的实现。

// oc0a.c

#include "oc0a.h"
#include <avr/io.h>

void oc0a_init()
{
    PORTB &=   ~(1 << PORTB3); // PB3 low level
    DDRB  |=     1 << DDB3;    // PB3 output mode
    TCCR0A =  0b00 << COM0A0   // normal port operation
           |  0b11 << WGM00;   // fast PWM mode
    TCCR0B =   0b0 << WGM02    // fast PWM mode
           | 0b010 << CS00;    // divide by 8
}

void oc0a_pwm(uint8_t _duty)
{
#define COMA_MASK (~(0b11 << COM0A0)) // mask for COMnA bits
    if (_duty)                        // fast PWM mode
        TCCR0A = (TCCR0A & COMA_MASK) // protect other bits
               | 0b10 << COM0A0,      // non-inverting mode
        OCR0A  = _duty - 1;           // duty = (OCRnx + 1) / 256
    else                              // turn PWM off
        PORTB &= ~(1 << PORTB3);      // PB3 low level
        TCCR0A = (TCCR0A & COMA_MASK) // protect other bits
               | 0b00 << COM0A0;      // normal port operation
}

实现文件应该首先包含对应的头文件，以确保函数接口一致。

作为底层操作的封装，这些函数中涉及到很多寄存器。对寄存器的操作没有写成直接用一个数字来赋值，而是由多种位运算组合起来，这是单片机编程特有的。比如，PORTB3宏定义在<avr/io.h>中，值为3，意义为PORTB的第3位（最低位为第0位）控制PB3引脚；1 << PORTB3生成一个这一位为1，其余位为0的数；对它取~，得到只有这一位为0，其余位为1的数；让PORTB与这个数进行&=运算，可以保持其他位不变而这一位变成0，这是因为0与一位“与”的结果是0，而1与一位“与”的结果就是那位的值。再比如，COM0A0为6，0b00 << COM0A0把COM0A1:0两位填00，同理0b11 << WGM00把WGM1:0填11，两数|运算，就把TCCR0A中的这两段同时填好了（参考数据手册查看位定义）。

并且，这样写是有多种原因的：对于PORTB等寄存器，函数只负责其中的一位，而赋值语句会影响其他位；对于OCR0A等寄存器，代码中明确写出每一位的名称与值，可以增强可读性。

如果是开源库，注释是写给想深入了解的用户看的；如果是闭源库，以头文件与库文件的形式发布，注释是写给以后的自己看的；总之，需要有注释。注释的目的是消除读者（包括自己）的疑惑。读者不知道0b010 << CS00的意义，就注明“8分频”，这是数据手册写的；读者不明白为什么OCR0A的赋值语句中需要-1，就把占空比的公式放上去，其中有+1。

还需要提醒的是，以上代码的可移植性有些欠缺，因为0b前缀的二进制数是GCC的扩展，不属于C语言标准。最贴近二进制的标准表示方法是十六进制，但是需要手动地转换（在0b0000到0b1111和0x0到0xF之间建立映射，就像涂答题卡时的F-AB到K-BD一样），这也是把寄存器赋值展开写的理由。

呼吸灯

为了测试这个库，我们再新建一个项目，这次选择“GCC C Executable Project”，之后的过程想必你已经做过很多遍了。不同的是引用头文件的写法有点变化，之前写的oc0a.h位于../pwm/目录下，../意为上级目录；以及，需要手动添加这个库，在“Solution Explorer”中该项目的“Libraries”上右键，点击“Add Library”，在“Project Libraries”一页中勾选“pwm”项目；这样就可以使用刚才写的两个函数了。

我们来实现呼吸灯的效果，即LED从暗慢慢变亮，再变暗，像呼吸一样。

#include <ee1/delay.h>
#include "../pwm/oc0a.h"

int main()
{
    oc0a_init();
    int brightness = 0, fadeAmount = 5;
    while (1)
    {
        oc0a_pwm(brightness);
        brightness = brightness + fadeAmount;
        if (brightness <= 0 || brightness >= 255)
            fadeAmount = -fadeAmount;
        delay(30);
    }
}

把OC0A引脚连接到开发板左侧RGBW中任意一个，你就会看到对应的LED有呼吸灯的效果。

RGBW

RGBW代表红绿蓝白。理论上，红绿蓝即可组合出所有颜色，而白色的加入即提供了纯正的白光，也能增强整个LED的亮度。

如果你在室内光下观察上面程序的效果，你会发现，尽管变量brightness，所谓亮度，是随时间线性变化的，但是视觉效果上，在整个亮起的过程中，明显是前半段亮度变化快，后面亮度几乎不变。而如果你用手电筒去照着它然后观察，就能感受到后半段的亮度变化。这可能是因为人眼对弱光环境下的强光变化不敏感。

rgbw_set函数解决了这个问题。它不是直接把参数转发给pwm_set，而是用映射后的参数调用；这个映射作为数学上的函数，在x较小时y增长较慢，较大时增长较快，从而抵消人眼的错觉。

#include <ee1/delay.h>
#include <ee1/rgbw.h>

void init();
void breathe();
void flash();

int main()
{
    init();
    while (1)
        breathe(), flash();
}

void init()
{
    rgbw_init(PIN_4, PIN_5, PIN_6, PIN_7);
}

void breathe_phase(uint8_t* _status, int8_t* _alter)
{
    for (uint8_t step = 0; step != 200; ++step)
    {
        for (uint8_t which = 0; which != 4; ++which)
            rgbw_set(which, _status[which] += _alter[which]);
        delay(5);
    }
}

void breathe()
{
    uint8_t status[4] = {0, 0, 0, 0};
    int8_t pre[4] = {1, 0, 0, 0};
    int8_t loop[][4] =
    {
        {-1, 1, 0, 0},
        {0, -1, 1, 0},
        {1, 0, -1, 0},
    };
    int8_t post[4] = {-1, 0, 0, 0};
    breathe_phase(status, pre);
    for (uint8_t cnt = 2; cnt--;)
        for (uint8_t pha = 0; pha != sizeof(loop) / sizeof(*loop); ++pha)
            breathe_phase(status, loop[pha]);
    breathe_phase(status, post);
}

void flash_phase(bool* _pattern)
{
    for (uint8_t which = 0; which != 4; ++which)
        rgbw_set(which, _pattern[which] ? 200 : 0);
    delay(500);
}

void flash()
{
    bool extra[4] = {0, 0, 0, 0};
    bool loop[][4] =
    {
        {1, 0, 0, 0},
        {1, 1, 0, 0},
        {0, 1, 0, 0},
        {0, 1, 1, 0},
        {0, 0, 1, 0},
        {1, 0, 1, 0},
    };
    flash_phase(extra);
    for (uint8_t cnt = 2; cnt--;)
        for (uint8_t pha = 0; pha != sizeof(loop) / sizeof(*loop); ++pha)
            flash_phase(loop[pha]);
    flash_phase(extra);
}

这段代码把灯变化的模式用数字表示，而不是用一定参数的函数调用来硬编码，使程序易于修改与扩展。

作业

1. 阅读数据手册，实现在OC1A引脚上输出12位分辨率的、带相位与频率修正的PWM波。注意占空比为0和1的情况。

2. 玩玩灯吧！