PWM介面技術

「脉冲宽度调变（Pulse Width Modulation；PWM）」允许处理器的数字输出信号可以控制或驱动模拟电路，可应用于测量、通信、功率控制、信号转换等。
模拟电路
一个模拟信号具有连续变化的值，它的最小时间和最小振幅是无限的（亦即，解析度是无限小的）。一个9伏特的电池是一种模拟装置，它的输出电压不一定都是9V，而是会随着时间变化的，它的值可能是任何的实数值。同理，从电池中流出的电流量不是限定在一定范围里的可能值。模拟信号与数字信号的区别是很清楚的，因为数字信号总是从「预先决定的（predetermined）」有限的可能值之集合中选出一个值来，例如：{0V, 5V}集合。

模拟电压和电流可以直接用来控制装置，譬如：汽车音响的声音。在一台简单的模拟收音机中，频率选择钮是连接到一个可变电阻上。当旋转选择钮时，电阻值会上升或下降，因此电阻电流也会增加或降低，而驱动扬声器的电流量也会改变，最后使它的声音增加或降低。一个模拟电路就像收音机一样，它的输出值和它的输入值是呈线性的正比关系。

直觉上，我们知道模拟控制并不经济，有时也不实用。模拟电路的电压或电流常会随着时间飘移，所以很难微调。可以解决这种问题的精准的模拟电路之体积可能非常大、非常重，而且很贵—旧型的立体音响就是属于这一类型。模拟电路也很耗电，很容易发热。模拟电路对噪音效应也很敏感。由于它具有无限小的解析度，所以在模拟电路中的任何扰动或噪音必然会改变它的电流值。

数字控制
以数字信号来控制模拟电路，可以使系统成本和功率损耗大幅地减少。而且，由于多数的微控制器和DSP已经内建了PWM控制器，因此很容易实现。简言之，PWM是一种能将模拟信号准位编成数字码的技术。透过高解析度的计数器，将一个方波的工作周期调变，藉此，将特定的模拟信号准位编码。PWM信号仍然是数字的，因为在任何时候，直流供电不是开启的就是关闭的。藉由连续的开启和关闭脉冲，将电压或电流供应给类比负载。在负载上有直流供电时称为「开启时间（on-time）」，没有时称为「关闭时间（off-time）」。假设频宽足够，任何一个类比值都可以利用PWM来编码。

图一是3个不同的PWM信号。它们分别在10%、50%和90%的工作周期上输出。这3种PWM信号可以分别对3种不同的模拟号值编码，这些模拟信号值分别是该信号最大值的10%、50%和90%。例如：假设供电压是9V，则输出工作周期为10%的PWM信号就代表0.9V的模拟信号值。
　

图一：不同工作周期的PWM信号
　

图二是一个简单的电路，可以被PWM信号驱动。在此图中，9V的电池供电给白热灯泡使用。如果将开关接合50 ms，在此时间内，灯泡将会得到9V的电压。如果在下一个50 ms，将开关分离，灯泡将会得到0V。如果在一秒钟内，重复这样的步骤10次，灯泡将会像连接到4.5V（9V的1/2）的电池一样发光。因此，PWM讯号的输出工作周期是50%，调变频率是10Hz。
　

图二：一个简单的PWM电路
　

大多数的负载、电感和电容需要比10Hz还要高很多的调变频率。如果增加开关开启和关闭的时间各成为5秒，则工作周期仍然是50%，但是在灯泡开启时，它的亮度会增加。为了让灯泡只能得到4.5V，工作週期时间必须小于负载对开关切换的反应时间。为了得到微光（dimmer）的效果，必须增加调变的频率大小。上述原理也适用于其它的PWM应用。一般的调变频率范围是从1 kHz至200 kHz。

硬件控制器
许多种微控制器和处理器都内建有PWM单元。例如：PIC16C67、LPC2000……等。PIC16C67内部具有两个PWM单元，每一个单元都可以选择开启时间和一个周期时间（period）的长度。工作週期是开启时间和一个周期时间的比率。调频频率是一个周期时间的倒数。要开启一个PWM作业，韧体必须执行下列的工作：
• 设定位于晶片内部的计时器或计数器的周期时间，它们可以提供调变的方波。
• 设定PWM控制暂存器的开启时间。
• 设定PWM输出的方向，此输出接脚可能是GPIO的一个脚位。
• 开启计时器。
• 启动PWM控制器。

虽然不同的PWM控制器具有不同的编程功能和技术细节，但是大体而言，它们的基本原理是相同的。

通信和控制
PWM的一个优点是：从处理器到控制器的信号都是数位的；因此，不需要数字模拟转换（DAC）。由于信号都是数字的，所以噪音效应可以降低。噪音只有在唯一一种情况下才会影响数字信号：噪音强度大到足以将逻辑1改变成逻辑0，反之亦然。 利用PWM信号来控制模拟电路的另一个好处是它可以增加抗噪音的能力，这也是为何有时可以使用PWM来通信的主要原因。从一个模拟信号切换至PWM可以大幅增加通信通道的长度。一个适当的RC或LC网路能移除调变的高频方波，并将信号还原成类比形式。

PWM的应用非常多。一个具体的例子是：利用PWM来控制剎车器（brake）。简言之，剎车器就是将车轴仅仅夹住。在许多剎车器中，抓力或制动力的大小是由一个类比输入信号控制。施加在剎车器上的电压或电流越大，抓力就越大。

PWM控制器的输出可以连接至一个开关，此开关位于电源和剎车器之间。为了产生更多的制动力，软件只需要增加PWM输出的工作周期。如果需要特定的剎车力量，就必须求出工作周期和剎车力量之间的数学关系。求得的公式或查看表（lookup table）需要依照工作温度、剎车器的磨损情况…等因素做微调。若要将压力施加在剎车器上，譬如：100 psi，软件必须反向求出工作週期。然后，据此改变PWM信号的工作週期，剎车器就会依此做出反应。如果此系统有一个感测器，则还可以藉由封闭回路控制电路来微调工作週期，直到获得期望的正确动力。

SoC处理器的PWM
一般的SoC处理器也可以内建PWM控制器，这是利用SoC内部的标准计时器来产生PWM信号。透过符合暂存器（match register）可以选择特定的应用项目。例如：7个符合暂存器支援6个单边控制或3个双边控制或两者混合的PWM输出信号。符合暂存器也支援下列功能：
˙特定的中断产生时，继续计时。
˙特定的中断产生时，停止计时。
˙特定的中断产生时，重置计时器。

每个符合暂存器的外部输出信号具有下列的功能：
˙符合时，输出低值。
˙符合时，输出高值。
˙符合时，切换输出值（原是低值变高值，原是高值变低值）。
˙符合时，不做任何事。

PWM控制器具有下列的功能：
˙脉冲周期和宽度（工作週期）是由计时器的计时数目设定。因此，解析度和重复率之间的取舍可以很有弹性。所有的PWM输出信号的重复率是相同的。
˙双边控制的PWM输出可以被设定为正的脉冲波缘，或负的脉冲波缘。
˙符合暂存器的更新是跟随脉冲输出讯号同步完成的，以避免产生错误的脉冲。软件必须先释出（release）新的符合值，之后它们才会生效。
˙如果PWM模式不有启动，它可以当成一个标准的计时器。
˙32-bit的计时器/计数器具有一个可程式化的32-bit预分频器（prescaler）。
˙具有数个32-bit的撷取通道，当一个输入信号做瞬间转换时，这些通道能够撷取计时值。一个撷取事件也会产生一个中断。

PWM建立在标准的计时器区块上，并继承了计时器的所有特性。计时器是用来计算週边时脉的週期数，并可以产生中断；当达到指定的时间值时（藉由符合暂存器组的协助），系统会执行特殊的工作。PWM控制器的功能和计时器类似，并且以符合暂存器的事件为基础。两个符合暂存器能够用来提供一个单边控制的PWM输出。其中，一个符合暂存器控制PWM周期率，当符合时，将计数器重置；另一个符合暂存器控制PWM的边缘位置。额外的单边控制的PWM输出只需要一个符合暂存器即可，因为所有的PWM输出信号的重复率（周期率）都是相同的。多个单边控制的PWM输出在每一个PWM周期的起始位置（当符合暂存器符合时），都具有一个上升缘。

三个符合暂存器能够用来提供一个双边控制的PWM输出。其中，一个符合暂存器控制PWM周期率。其它符合暂存器控制PWM的两个边缘位置。额外的双边控制的PWM输出只需要两个符合暂存器即可，因为所有的PWM输出信号的重复率都是相同的。
　

图三：PWM内部的部份架构
　

附图三中的PWMSELn位元可以用来决定使用单边或双边控制的PWM输出。附图四是一个PWM週期和三个PWM输出波形的关系范例。附表一是相对于不同的PWM输出，不同符合暂存器之选择。附图四的构成条件如下：
˙将计时器设定为PWM模式。
˙当符合事件发生时（计数值等于100），符合暂存器0会将计时器/计数器重置。
˙将控制位元PWMSEL2和PWMSEL4设为1。亦即，PWM2输出和PWM4输出是选择双边控制的。
˙每个符合暂存器的值如下：
MR0=100（PWM的周期率）
MR1= 41，MR2= 78（PWM2的输出）
MR3= 53，MR4= 27（PWM4的输出）
MR5= 65（PWM5的输出）

将每个符合暂存器的值一一验证PWM的输出波形，可以发现：除了PWM5的输出以外，PWM2和PWM4的输出是属于双边控制的。从附表一可知：双边控制的PWM2输出信号的上升缘（建立）必须选择符合暂存器1，且其下降缘（重置）必须选择符合暂存器2。因此，MR1的值小于MR2的值。而双边控制的PWM4的输出信号的上升缘（建立）必须选择符合暂存器3，且其下降缘（重置）必须选择符合暂存器4。但是因为PWM4的输出信号的初始值是正值，所以它必须先从高值降至低值（重置），再从低值升至高值（建立），于是MR3的值大于MR4的值。这正是PWM2和PWM4波形的最大差别。
　

图四：PWM周期和PWM输出波形的关系
　

表一：相对于不同的PWM输出，不同符合暂存器之选择。
　

PWM输出的规则
对单边控制的PWM输出而言，具有下列两项规则：
1. 在PWM周期开始时，所有的单边控制的PWM输出都是上升的，除非它们的符合值等于0（例如：MR5= 0）。
2. 当达到符合值时，每一个PWM输出会降为低值。如果没有符合----亦即，符合值大于PWM週期率，则PWM输出会持续保持高值。
对双边控制的PWM输出而言，当一个新周期快要开始时，下列五项规则可以用来决定下一个PWM输出值：
1. 下一个PWM週期的符合值可以在一个PWM週期的结束地方使用。但是，第3项例外。
2. 一个符合值等于0或等于目前的PWM周期率（符合暂存器的值），它们都具有相同的效果。但是，第3项例外。例如：在PWM周期的开始处请求一个下降缘，是等同于在PWM周期的结束处请求一个下降缘。
3. 当符合值正在改变时，如果一个旧的符合值等于PWM周期率，并且新的符合值不等于0，也不等于PWM週期率，则此旧的符合值将会被再次使用，而且旧的符合值不等于0。
4. 如果同时要求建立和清除（重置）PWM输出，则清除优先。当建立和清除的符合值相同；或建立、清除之一的符合值等于0，而另一个的符合值等于PWM周期率，这时就会发生这种情况。
5. 如果符合值比PWM周期率还要大，则不会有符合事件发生，而且，此符合通道（符合暂存器）对PWM输出毫无作用。这表示PWM输出将一直保持原来的状态，允许PWM输出一直保持低值、高值或不变。
PWM暂存器组
下列是PWM的暂存器：
1. 中断暂存器（PWMIR）：写入此暂存器可以清除中断。读取此暂存器可以判定中断来源。
2. 计时器控制暂存器（PWMTCR）：可以控制计时器/计数器的功能。它可以使计时器/计数器关闭或重置。
3. 计时器/计数器（PWMTC）：周边时脉（pclk）的每预先分频暂存器的值+1（= PR+1）个週期，32位元的TC暂存器会递增。TC是透过TCR控制。
4. 预先分频暂存器（PWMPR）：储存一个预先设定的值。其余同PWMTC的说明。
5. 预先分频计数器（PWMPC）：32位元的PC是一个计数器，它的值会递增，直到等于储存于PR中的值。当PC的值等于PR的值时，TC会递增。
6. 符合控制暂存器（PWMMCR）：当有一个符合暂存器的值等于TC的值时，由此暂存器决定要执行何种行动，譬如：产生中断、使TC重置、或使TC和PC停止。
7. 符合暂存器0（PWMMR0）：透过MCR可以控制MR0。当MR0的值等于TC时，MCR可以使TC重置，或使TC和PC停止，或产生一个中断。此外，当MR0的值等于TC时，所有单边控制的PWM输出信号会上升（被建立）；如果PWM1输出是双边控制的，则此信号波形也会上升。
8. 符合暂存器n（PWMMRn；n > 0）：透过MCR可以控制MRn。当MRn的值等于TC时，MCR可以使TC重置，或使TC和PC停止，或产生一个中断。此外，当MRn的值等于TC的值时，PWMn输出讯号会下降（被清除），而且，不管PWMn是属于单边控制的或双边控制的信号；如果PWMn+1输出是双边控制的，则此信号波形会上升。
9. PWM控制暂存器（PWMPCR）：启动PWM输出，并选择PWM的通道（信号）类型----是属于单边控制的或双边控制的。
10. PWM锁定暂存器（PWMLER）：用来控制符合暂存器的更新。当计时器处于PWM模式，软体将数值写入符合暂存器内时，此值是位于一个遮蔽（shadow）暂存器中。当MR0事件发生时（MR0的值等于TC的值），遮蔽暂存器的内容会被传送至真正的符合暂存器中，如果锁定暂存器的相对应位元有被设为1的话。此时，新写入的值才会生效，并决定下一个PWM週期的方向。一旦新的数值开始被传送，锁定暂存器的所有位元值将会被自动清除。直到锁定暂存器的相对应位元被设为1，而且有一个MR0事件发生，此时任何写入符合暂存器的值对PWM作业而言是无效的。例如：假设PWM2输出是双边控制的信号，并且正在输出中，则能够改变时序的典型的事件序列如下所示：
i. 写入新值至MR1中。
ii. 写入新值至MR2中。
iii. 设定锁定暂存器的位元1和2为1。
iv. 当计时器下次重置时（有一个MR0事件发生），上述的新值才会生效。

MR1和MR2的写入顺序并不重要，因为在设定锁定暂存器之前，这些值是没有用的。锁定暂存器的位元1和2之设定，可以使这两个值同时生效。若只更改一个符合暂存器的值，其方法与前述者相同。锁定暂存器的位元0和1的功能如附表二的说明。其余位元的功能也和它们一样。
　

表二：PWM锁定暂存器的位元0和1的功能
　

韧体实例
下面是一个PWM韧体程式范例。它使用PWM2输出，周边时脉是5MHz。
在开启PWM之前，设定各个相关的脚位：
REG(PINSEL0)=0x800A8005; /* 设定p0.7, p0.8, p0.9分别为PWM2, PWM4, PWM6*/
REG(IO0DIR)|=0x00000380; // 设定 PWM2, PWM4,PWM6 为输出

现在开启PWM：
REG(PWMPR)=0x0000; /*不使用预先分频，一个CPU时脉就是一个PWM时脉*/
REG(PWMMCR)=0x0002; /*重置MR0的TC */
REG(PWMPCR)= 0x5400; /* 启动PWM2,4,6, 单边控制 */

REG(PWMMR0)=0x0400; // 建立PWM周期
REG(PWMTCR)=0x000A; // 重置TC计数器

REG(PWMMR2) = 0x0050; // 建立初始的PWM工作周期
REG(PWMLER) |= 0x04; // 使用位元2的锁定功能
REG(PWMMR4) = 0x0100; // 建立初始的PWM工作周期
REG(PWMLER) |= 0x10; // 使用位元4的锁定功能
REG(PWMMR6) = 0x0150; // 建立初始的PWM工作周期
REG(PWMLER) |= 0x40; // 使用位元6的锁定功能

REG(PWMTCR) = 0x00000009; // 启动TC

上述程式看似没问题，可是p0.7 (PWM2)却一直保持高值。到底哪边出错了呢？
这是因为TC的初始值没有设为0。必须在REG(PWMTCR) = 0x00000009后面加上REG(PWMTC) = 0x0。

PWM经济、节省空间和抗噪音，只要有通信或控制用途的好点子，几乎都可以利用它来实现。