张高兴的 .NET Core IoT 入门指南：（五）PWM 信号输出

什么是 pwm

在解释 pwm 之前首先来了解一下电路中信号的概念，其中包括模拟信号和数字信号。模拟信号是一种连续的信号，与连续函数类似，在图形上表现为一条不间断的连续曲线。数字信号为只能取有限个数值的信号，比如计算机中的高电平（1）和低电平（0）。

pwm（pulse width modulation）即脉冲宽度调制，简称脉宽调制，通过对一系列的脉冲的宽度进行调制，从而等效出所需要的模拟信号。如图 1 所示，蓝色波形为调制的一系列脉冲，红色波形为模拟的正弦样信号。在模拟电路中，模拟信号的值可以连续进行变化，而数字电路是在高电平和低电平中取值，所以电压或电流会以脉冲的形式出现。通过使用 pwm 技术，我们可以在数字电路中模拟出电信号的连续变化。

图1：pwm 示意图

  提示

看完上面的如果你还不明白，那么可以看看下面这个生动的解释，这个解释来源于：

“简单的说，比如你有5v电源，要控制一台灯的亮度，有一个传统办法，就是串联一个可调电阻，改变电阻，灯的亮度就会改变。还有一个办法，就是pwm调节。不用串联电阻，而是串联一个开关。假设在1秒内，有0.5秒的时间开关是打开的，0.5秒关闭，那么灯就亮0.5秒，灭0.5秒。这样持续下去，灯就会闪烁。如果把频率调高一点，比如是1毫秒，0.5毫秒开，0.5毫秒灭，那么灯的闪烁频率就很高。我们知道，闪烁频率超过一定值，人眼就会感觉不到。所以，这时你看不到灯的闪烁，只看到灯的亮度只有原来的一半。同理，如果1毫秒内，0.1毫秒开，0.9毫秒灭，那么，灯的亮度就只有原来的10分之一。”

使用 pwm 需要了解占空比（duty cycle）和频率（frequency）的概念。占空比即 pwm 信号在一个周期内处于高电平的时间与整个周期的时间的比值。在 5v 电源的情况下，想要产生一个 3v 的信号，可以使用占空比为 60％ 的 pwm。图 2 从波形的角度解释了 pwm。频率是 pwm 信号在 1 秒内完成一个周期的次数，单位是 hz。如果输出的频率够高并保持一定的占空比，就可以模拟出恒定电压。图 3 对比了小灯亮度的变化与占空比的变化，通过观察图右侧的 pwm 波形可以看到占空比越高小灯越亮。

图2：占空比示意图

图3：小灯亮度变化与占空比变化对比

raspberry pi 上提供了硬件 pwm 功能，一共包括 2 个通道，引出了 4 个 gpio 引脚。其中 gpio 12 和 gpio 18 属于通道 0，gpio 13 和 gpio 19 属于通道 1。但有意思的是只有通道 0 的 gpio 18 引脚的默认功能为 pwm，其他的不是被音频处理所占用，就是引脚另有它用。启用这些引脚需要进行一些特殊配置甚至内核编程。

  提示

如何启用 raspberry pi 上的 pwm ？

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

启用 pwm 通道 1 请参考：https://github.com/raspberrypi/firmware/issues/1178

修改 gpio 引脚功能请参考：https://www.dummies.com/computers/raspberry-pi/raspberry-pi-gpio-pin-alternate-functions 和 http://abyz.me.uk/rpi/pigpio/pigs.html

相关类

pwm 操作的相关类位于 system.device.pwm 命名空间下。

pwmchannel

public class pwmchannel : idisposable
{
    // 创建 pwmchannel 对象
    // chip 为 pwm 芯片编号，linux 下位于 /sys/class/pwm 文件夹下
    // channel 为 通道编号
    public static pwmchannel create(int chip, int channel, int frequency = 400, double dutycycle = 0.5);

    // 占空比，取值为 0.0 - 1.0
    public double dutycycle { get; set; }
    // 频率，单位为 hz
    public int frequency { get; set; }

    // 打开和关闭 pwm 通道
    public void start();
    public void stop();
}

pwm 的使用步骤

1. 实例化一个 pwmchannel 对象

pwmchannel pwm = pwmchannel.create(chip: 0, channel: 0, frequency: 400, dutycycle: 0);

1. 打开 pwm 通道

pwm.start();

1. 设置占空比/频率改变输出的 pwm 信号

pwm.dutycycle = 0.5;

1. 关闭 pwm 通道

pwm.stop();

使用硬件 pwm 控制 led 的亮度

硬件需求

名称	数量
led	x1
220 ω 电阻	x1
杜邦线	若干

电路

• led 正极 - gpio 18 (pin 12)
• led 负极 - gnd

使用 docker 运行示例

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

代码

1. 打开 visual studio ，新建一个 .net core 控制台应用程序，项目名称为“pwmled”。
2. 引入 system.device.gpio nuget 包。
3. 在 program.cs 中，将主函数代码替换如下：

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. 发布、拷贝、更改权限、运行

效果图

使用软件 pwm 控制 rgb led

上面提到 raspberry pi 中默认只有 gpio 18 这一个引脚可以使用 pwm，要控制 rgb led 则至少需要使用 3 个 pwm，这显然是不够用的。在 iot.device.bindings 这个 nuget 包中为我们提供了使用 gpio 模拟的软件 pwm 类 softwarepwmchannel 。软件 pwm 的使用效果并没有硬件 pwm 的那种“顺滑”，因为其精度完全取决于 gpio 的速度。

  提示

rgb led 有三种颜色，但通常只有 4 个引脚，而三种单色 led 却有 6 个引脚，为什么会少了 2 个引脚？rgb led 分为共阳极和共阴极。如果少的两个引脚为阳极，则为共阳极 rgb led，三个单色 led 共用一个阳极，剩下的三个引脚为各自的阴极。共阴极 rgb led 则相反。两种 led 在使用上类似，但程序相反，比如共阴极时占空比越高 led 越亮，而共阳极时，占空比越高则 led 越暗。

硬件需求

名称	数量
rgb led	x1
220 ω 电阻	x3
杜邦线	若干

电路

• led r - gpio 18 (pin 12)
• led g - gpio 23 (pin 16)
• led b - gpio 24 (pin 18)
• led 阴极 - gnd

使用 docker 运行示例

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

代码

1. 打开 visual studio ，新建一个 .net core 控制台应用程序，项目名称为“pwmrgb”。
2. 引入 iot.device.bindings nuget 包。
3. 在 program.cs 中，将主函数代码替换如下：

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. 发布、拷贝、更改权限、运行

效果图

供参考

1. pulse-width modulation - wikipedia：https://en.wikipedia.org/wiki/pulse-width_modulation
2. rpi4 : pwm0 & pwm1 alternate pins - github：
3. 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. 脉冲宽度调制 - 百度百科：