基于Cortex-A9的PWM

一、什么是PWM

PWM，英文名Pulse Width Modulation，是脈沖寬度調(diào)制縮寫，它是通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，等效出所需要的波形（包含形狀以及幅值），對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼，也就是說通過調(diào)節(jié)占空比的變化來調(diào)節(jié)信號(hào)、能量等的變化，占空比就是指在一個(gè)周期內(nèi)，信號(hào)處于高電平的時(shí)間占據(jù)整個(gè)信號(hào)周期的百分比，例如方波的占空比就是50%.

二、PWM信號(hào)輸出輸出和作用

1. 如果要實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出如何輸出呢？

1）可以直接通過芯片內(nèi)部模塊輸出PWM信號(hào)，前提是這個(gè)I/O口要有集成的pwm控制器，只需要通過對(duì)應(yīng)的寄存器即可，這種自帶有PWM輸出的功能模塊在程序設(shè)計(jì)更簡便，同時(shí)數(shù)據(jù)更精確。

2）但是如果IC內(nèi)部沒有PWM功能模塊，或者要求不是很高的話可以利用I/O口設(shè)置一些參數(shù)來輸出PWM信號(hào)，因?yàn)镻WM 信號(hào)其實(shí)就是一高一低的一系列電平組合在一起。具體方法是給I/O加一個(gè)定時(shí)器，對(duì)于你要求輸出的PWM信號(hào)頻率與你的定時(shí)器一致，用定時(shí)器中斷來計(jì)數(shù)，但是這種方法一般不采用，除非對(duì)于精度、頻率等要求不是很高可以這樣實(shí)現(xiàn)。

2. PWM信號(hào)應(yīng)用

PWM信號(hào)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字電路所需要的編碼，現(xiàn)在基本是采用數(shù)字電路，因此在很多場合都采用PWM信號(hào)。

我們經(jīng)常見到的就是交流調(diào)光電路，也可以說是無級(jí)調(diào)速，高電平占多一點(diǎn)，也就是占空比大一點(diǎn)亮度就亮一點(diǎn)，占空比小一點(diǎn)亮度就沒有那么亮，前提是PWM的頻率要大于我們?nèi)搜圩R(shí)別頻率，要不然會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。

除了在調(diào)光電路應(yīng)用，還有在直流斬波電路、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、逆變電路、加濕機(jī)霧化量等都會(huì)有應(yīng)用。

三、蜂鳴器

蜂鳴器廣泛用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。

蜂鳴器分為壓電式及電磁式的二大類：

壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。它是以壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，來帶動(dòng)金屬片的振動(dòng)而發(fā)聲；

電磁式的蜂鳴器，由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲。通電時(shí)將金屬振動(dòng)膜吸下，不通電時(shí)依振動(dòng)膜的彈力彈回。

有源蜂鳴器， 只要給它加上恒定的電壓， 就能發(fā)聲；無源蜂鳴器， 必須給它加上一定頻率的方波或正弦波才能發(fā)聲

有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以一通電就會(huì)叫。而無源內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號(hào)無法令其鳴叫。

有源蜂鳴器往往比無源的貴，就是因?yàn)槔锩娑鄠€(gè)震蕩電路。

【優(yōu)點(diǎn)】無源蜂鳴器的優(yōu)點(diǎn)是：

便宜

聲音頻率可控，可以做出“多來米發(fā)索拉西”的效果。

在一些特例中，可以和LED復(fù)用一個(gè)控制口有源蜂鳴器的優(yōu)點(diǎn)是：

程序控制方便 。

應(yīng)用：電風(fēng)扇、收音機(jī)的聲音按鈕、任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼

四、fs4412電路圖

本例采用fs4412開發(fā)板，pwm外接了一個(gè)蜂鳴器BUZZER，電路圖如下：

從上面電路圖可知：

該BUZZER是無源蜂鳴器，如果要想發(fā)出聲音，需要正負(fù)極產(chǎn)生電流變化，我們通過生成方波，從而實(shí)現(xiàn)圖中三極管1->2周期性導(dǎo)通和關(guān)閉來讓BUZZER倆邊電壓產(chǎn)生變化，從而實(shí)現(xiàn)電流變化；

三極管的基極連接的是SOC的GPD0_0引腳；

產(chǎn)生方波我們借助的是PWM，標(biāo)號(hào)為MOTOR_PWM。

繼續(xù)查找MOTOR_PWM：

由上圖可知，MOTOR_PWM連接的是PWM的XpwmTOUT0，和LCD一起復(fù)用引腳GPD0_0，

去datasheet繼續(xù)查看GPD0_0說明，

由上圖可知，GPD0_0配置由寄存器的GPD0CON[3:0]位控制，要想作為PWM輸出，要設(shè)置為TOUT_0即0x2。

同時(shí)也可以看到，該引腳還可以設(shè)置為外部中斷信號(hào)[EXT_INT6]功能即0xF。

五、Exynos 4412 PWM

概述

Exynos 4412 SCP有五個(gè)32位脈沖寬度調(diào)制（PWM）定時(shí)器。這些定時(shí)器產(chǎn)生內(nèi)部中斷對(duì)于ARM子系統(tǒng)。此外，定時(shí)器0、1、2和3包括驅(qū)動(dòng)外部I/O的PWM功能信號(hào)。定時(shí)器0中的PWM有一個(gè)可選的死區(qū)發(fā)生器功能，以支持大量的設(shè)備。定時(shí)器4是一個(gè)沒有輸出引腳的內(nèi)部定時(shí)器。

定時(shí)器使用APB-PCLK作為源時(shí)鐘。定時(shí)器0和1共享可編程8位預(yù)分頻器為PCLK提供第一級(jí)分頻。定時(shí)器2、3和4共享不同的8位預(yù)分頻器。每個(gè)計(jì)時(shí)器都有它自己的專用時(shí)鐘分頻器，提供第二級(jí)時(shí)鐘劃分頻（預(yù)分頻器除以2、4、8或16）。

每個(gè)定時(shí)器都有它的32位遞減計(jì)數(shù)器；定時(shí)器時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)這個(gè)計(jì)數(shù)器。定時(shí)器計(jì)數(shù)緩沖寄存器（TCNTBn）加載遞減計(jì)數(shù)器的初始值。如果遞減計(jì)數(shù)器達(dá)到零，它將生成計(jì)時(shí)器中斷請(qǐng)求，通知CPU定時(shí)器操作完成。如果定時(shí)器下降計(jì)數(shù)器達(dá)到零，相應(yīng)TCNTBn的值自動(dòng)重新加載到下一個(gè)循環(huán)開始。但是，如果定時(shí)器停止，例如，在定時(shí)器運(yùn)行模式下，通過清除TCONn的定時(shí)器使能位，TCNTBn的值將不會(huì)重新加載到計(jì)數(shù)器中。

PWM功能使用TCMPBn寄存器的值。定時(shí)器控制邏輯改變輸出電平下計(jì)數(shù)器值與定時(shí)器控制邏輯中比較寄存器的值相匹配。因此，比較寄存器決定PWM輸出的開啟時(shí)間或關(guān)閉時(shí)間。

每個(gè)定時(shí)器都是雙緩沖結(jié)構(gòu)，帶有TCNTBn和TCMPBn寄存器，允許定時(shí)器參數(shù)在周期中更新。新值在當(dāng)前計(jì)時(shí)器周期完成之前不會(huì)生效。

Exynos ＰＷＭ定時(shí)器的特性

１）５個(gè)３２位定時(shí)器；

２）２個(gè)８位PCLK分頻器提供一級(jí)預(yù)分，５個(gè)２級(jí)分頻器用來預(yù)分外部時(shí)鐘；３）可編程選擇PWM獨(dú)立通道。

４）４個(gè)獨(dú)立的可編程的控制及支持校驗(yàn)的ＰＷＭ通道。

５）靜態(tài)配置：PWM停止；

６）動(dòng)態(tài)配置：PWM啟動(dòng)；

７）支持自動(dòng)重裝模式及觸發(fā)脈沖模式；

８）一個(gè)外部啟動(dòng)引腳。

９）兩個(gè)PWM輸出可帶Dead-Zone 發(fā)生器。

１０）中斷發(fā)生器。

PWM內(nèi)部模塊圖

工作的步驟：

當(dāng)時(shí)鐘PCLK被使能后，定時(shí)器計(jì)數(shù)緩沖寄存器（TCNTBn）把計(jì)數(shù)器初始值下載到遞減計(jì)數(shù)器中。

定時(shí)器比較緩沖寄存器（TCMPBn）把其初始值下載到比較寄存器中，并將該值與遞減計(jì)數(shù)器的值進(jìn)行比較。當(dāng)遞減計(jì)數(shù)器和比較寄存器值相同時(shí)，輸出電平翻轉(zhuǎn)。

遞減計(jì)數(shù)器減至0后，輸出電平再次翻轉(zhuǎn)，完成一個(gè)輸出周期。這種基于TCNTBn和TCMPBn的雙緩沖特性使定時(shí)器在頻率和占空比變化時(shí)能產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出。

每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)專用的由定時(shí)器時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的16位遞減計(jì)數(shù)器。當(dāng)遞減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到0時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生定時(shí)器中斷請(qǐng)求來通知ＣＰＵ定時(shí)器操作完成。當(dāng)定時(shí)器遞減計(jì)數(shù)器達(dá)到０的時(shí)候，如果設(shè)置了Auto-Reload 功能，相應(yīng)的TCNTBn的值會(huì)自動(dòng)重載到遞減計(jì)數(shù)器中以繼續(xù)下次操作。

然而，如果定時(shí)器停止了，比如在定時(shí)器運(yùn)行時(shí)清除TCON中定時(shí)器使能位，TCNTBn的值不會(huì)被重載到遞減計(jì)數(shù)器中。

TCMPBn 的值用于脈沖寬度調(diào)制。當(dāng)定時(shí)器的遞減計(jì)數(shù)器的值和比較寄存器的值相匹配的時(shí)候，定時(shí)器控制邏輯將改變輸出電平。因此，比較寄存器決定了PWM 輸出的開關(guān)時(shí)間。

舉例

下面我們舉個(gè)實(shí)例來看下，

初始化寄存器 TCNTBn = 159 (50 + 109) ，TCMPBn =109.

開啟定時(shí)器: 通過設(shè)置TCON的開啟位.寄存器TCNTBn 的值159將自動(dòng)加載到遞減寄存器down-counter, 同時(shí)輸出引腳TOUTn 設(shè)置為低電平.

當(dāng)down-counter 的值遞減打破和寄存器TCMPBn 的值109相同時(shí), 輸出引腳將從低拉到高.

當(dāng)down-counter遞減到0時(shí), 產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求.

如果我們?cè)O(shè)置成autoreload模式，那么down-counter會(huì)自動(dòng)加載TCNTBn的值到down-counter，開啟新的一個(gè)周期。

我們可以通過設(shè)置TCNTBn、TCMPBn來控制占空比，而每個(gè)pwm周期后都可以重新設(shè)置新的值到TCNTBn、TCMPBn，我們通過精確的計(jì)算來設(shè)置TCNTBn、TCMPBn的值并通過設(shè)置dead zone我們可以設(shè)計(jì)出各種復(fù)雜的矩形波。

如下圖所示：

本例我們只需要產(chǎn)生規(guī)則的舉行方波即可，所以我們只需要設(shè)置占空比為50%即可。

六、寄存器

由第四章可知，我們使用PWM控制器的timer 0，對(duì)應(yīng)的寄存器組如下圖所示：

1、TFCG0

定時(shí)器配置寄存器0（TFCG0） ，主要用于預(yù)分頻設(shè)置。

我們是timer 0，所以只需要設(shè)置該寄存器的bite【7:0】即可，最終的輸出頻率和value的公式如下：

參考24.3.1節(jié)：

其中方波的頻率必須在音頻范圍內(nèi)，也就是20Hz到20KHZ之間， 但是20Hz到20KHZ的頻率送給蜂鳴器后， 只有某一點(diǎn)的頻率是最響的， 這個(gè)頻率稱為蜂鳴器的諧振頻率， 離它越遠(yuǎn)， 蜂鳴器發(fā)出的聲音越輕。

所以Prescaler 0 value值應(yīng)該設(shè)置為255，divider value 應(yīng)該是1/16,值由TCFG1設(shè)置。

PWM.TCFG0=PWM.TCFG0&(~(0xff))|0xf9;

2、TCFG1

定時(shí)器配置寄存器1（TCFG1） 主要用于PWM定時(shí)器的divider value設(shè)置。

由上一節(jié)分析，秩序設(shè)置TCFG1 bite【3:0】為0100即0x2即可。

PWM.TCFG1=PWM.TCFG1&(~(0xf))|0x2;

3、TCON

timer控制寄存器TCON

bite[3] : 設(shè)置定時(shí)器是只執(zhí)行一個(gè)周期(One-shot)還是周期執(zhí)行（auto-reload）

bite[1]: 置為1，則更新TCNTB0 、TCMPB0 的值

bit[0]：開啟或者停止定時(shí)器

針對(duì)不同操作，我們可以設(shè)置不同的值：

裝載

PWM.TCON=PWM.TCON&(~(0xff))|(1<

開啟定時(shí)器，蜂鳴器響

PWM.TCON=PWM.TCON&(~(0xff))|(1<

關(guān)閉定時(shí)器，蜂鳴器滅

PWM.TCON=PWM.TCON&(~(1<

4、TCNTB0

定時(shí)器計(jì)數(shù)緩沖寄存器（TCNTB0）根據(jù)測算，設(shè)置為100

TCNTB0

PWM.TCNTB0=100;

5、TCMPB0

定時(shí)器比較緩沖寄存器（TCMPB0 ）設(shè)置為50,占空比為50%

PWM.TCMPB0=50;

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：基于Cortex-A9的pwm詳解

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