什么是 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，在圖形上表現為一條不間斷的連續曲線。數字信號為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）即脈沖寬度調制，簡稱脈寬調制，通過對一系列的脈沖的寬度進行調制，從而等效出所需要的模擬信號。如圖 1 所示，藍色波形為調制的一系列脈沖，紅色波形為模擬的正弦樣信號。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沖的形式出現。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

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看完上面的如果你還不明白，那么可以看看下面這個生動的解釋，這個解釋來源于百度知道：

“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，那么燈就亮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，那么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，那么，燈的亮度就只有原來的10分之一。”

使用 PWM 需要了解占空比（Duty Cycle）和頻率（Frequency）的概念。占空比即 PWM 信號在一個周期內處于高電平的時間與整個周期的時間的比值。在 5V 電源的情況下，想要產生一個 3V 的信號，可以使用占空比為 60％ 的 PWM。圖 2 從波形的角度解釋了 PWM。頻率是 PWM 信號在 1 秒內完成一個周期的次數，單位是 Hz。如果輸出的頻率夠高并保持一定的占空比，就可以模擬出恒定電壓。圖 3 對比了小燈亮度的變化與占空比的變化，通過觀察圖右側的 PWM 波形可以看到占空比越高小燈越亮。

圖2：占空比示意圖

圖3：小燈亮度變化與占空比變化對比

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 屬于通道 0，GPIO 13 和 GPIO 19 屬于通道 1。但有意思的是只有通道 0 的 GPIO 18 引腳的默認功能為 PWM，其他的不是被音頻處理所占用，就是引腳另有它用。啟用這些引腳需要進行一些特殊配置甚至內核編程。

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如何啟用 Raspberry Pi 上的 PWM ？

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

啟用 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 操作的相關類位于?System.Device.Pwm?命名空間下。

PwmChannel

public class PwmChannel : IDisposable {// 創建 PwmChannel 對象// chip 為 PWM 芯片編號，Linux 下位于 /sys/class/pwm 文件夾下// channel 為 通道編號public static PwmChannel Create(int chip, int channel, int frequency = 400, double dutyCycle = 0.5);// 占空比，取值為 0.0 - 1.0public double DutyCycle { get; set; }// 頻率，單位為 Hzpublic int Frequency { get; set; }// 打開和關閉 PWM 通道public void Start();public void Stop(); }

PWM 的使用步驟

實例化一個 PwmChannel 對象

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

打開 PWM 通道

pwm.Start();

設置占空比/頻率改變輸出的 PWM 信號

pwm.DutyCycle = 0.5;

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

打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制臺應用程序，項目名稱為“PwmLed”。

引入?System.Device.Gpio?NuGet 包。

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(); }

發布、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 包中為我們提供了使用 GPIO 模擬的軟件 PWM 類?SoftwarePwmChannel?。軟件 PWM 的使用效果并沒有硬件 PWM 的那種“順滑”，因為其精度完全取決于 GPIO 的速度。

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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，為什么會少了 2 個引腳？RGB LED 分為共陽極和共陰極。如果少的兩個引腳為陽極，則為共陽極 RGB LED，三個單色 LED 共用一個陽極，剩下的三個引腳為各自的陰極。共陰極 RGB LED 則相反。兩種 LED 在使用上類似，但程序相反，比如共陰極時占空比越高 LED 越亮，而共陽極時，占空比越高則 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

打開 Visual Studio ，新建一個 .NET Core 控制臺應用程序，項目名稱為“PwmRgb”。

引入?Iot.Device.Bindings?NuGet 包。

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);} }

發布、拷貝、更改權限、運行

效果圖

供參考

Pulse-width modulation - Wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation

RPI4 : PWM0 & PWM1 Alternate pins - GitHub：https://github.com/raspberrypi/firmware/issues/1178

Raspberry Pi GPIO Pin Alternate Functions：https://www.dummies.com/computers/raspberry-pi/raspberry-pi-gpio-pin-alternate-functions/

PWM source code：https://github.com/dotnet/iot/tree/master/src/System.Device.Gpio/System/Device/Pwm

脈沖寬度調制 - 百度百科：https://baike.baidu.com/item/脈沖寬度調制/10813756

原文鏈接：https://www.cnblogs.com/zhanggaoxing/p/11748663.html

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的张高兴的 .NET Core IoT 入门指南：（五）PWM 信号输出的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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