1 什么是PWM？

只简单介绍，更基础的原理请查阅立创梁山派基础课程

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种在嵌入式系统中常用的技术，它可以用来模拟信号，控制设备的功率输出或者实现对设备的精确控制。PWM信号是一种类似于方波的信号，具有固定的频率，但脉冲宽度（占空比）可以调整。在一定频率下，我们可以通过调整这个占空比来改变他的有效电压，在一定程度上可以实现D/A转换（数字量转模拟量，不过一般来说都是用DAC，立创梁山派自带DAC）。

• 频率（Frequency）：指PWM信号在一秒内循环的次数。频率是周期的倒数，单位是赫兹（Hz）。
• 周期（Period）：指一个完整的PWM信号的时间长度，与频率成反比。单位是秒（s）。
• 脉宽（Pulse Width）：指PWM信号中高电平（通常为1）的时间长度。单位是秒（s）或毫秒（ms）。
• 占空比(Duty Ratio)：表示在一个完整的PWM信号周期内，高电平（通常为1）所占的时间比例。占空比 = （脉宽 / 周期）x 100%。
• 上升沿（Rising Edge）：PWM信号从低电平跳变到高电平的瞬间，通常用来作为触发事件。
• 下降沿（Falling Edge）：PWM信号从高电平跳变到低电平的瞬间，也常被用作触发事件。
• 正脉冲宽度（Positive Pulse Width）：PWM信号中高电平的持续时间，一般情况下的脉宽指的就是这个。
• 负脉冲宽度（Negative Pulse Width）：PWM信号中低电平的持续时间。

在嵌入式系统中，PWM的应用场景非常广泛，例如：

1. 电机控制：通过调整PWM的占空比，可以精确控制直流电机的转速。占空比越高，电机转速越快；占空比越低，电机转速越慢。
2. LED亮度调节：通过调整PWM的占空比，可以实现对LED灯的亮度调节。占空比越高，LED灯越亮；占空比越低，LED灯越暗。

举个例子：假设我们有一个LED灯，想实现亮度调节。我们可以生成一个PWM信号，频率为1kHz（周期为1ms），然后通过调整占空比来实现LED灯的亮度调节。如果占空比为100%，那么LED灯将一直处于亮的状态；如果占空比为50%，那么LED灯将以1ms为周期，半亮半暗；如果占空比为0%，那么LED灯将一直处于熄灭状态。通过不断调整占空比，就可以实现LED灯的亮度调节。如果PWM信号的频率过低，我们可能会感觉到它在闪烁。所以，在设计PWM驱动的LED灯时，一般会选择较高的频率来避免可见的闪烁。通常我们是看不到它闪烁的，这主要是因为两个原因：第一个是PWM信号的频率够高，第二个是人眼的视觉暂留效应。即当光源瞬间消失时，我们还能在极短的时间内感知到光源。这种效应导致人眼对快速闪烁的光源产生平滑的感觉。当PWM频率足够高时，视觉暂留效应会使我们感觉到LED灯的亮度是连续的。

2 手机屏幕的亮度是怎么调节的？

我们平时一直摸的手机屏幕有一部分就是用PWM来调节的。在智能手机屏幕中，PWM调光和DC调光是两种常见的屏幕亮度调节技术。它们的主要区别在于亮度调节的实现方式。

PWM调光：如之前所说，PWM（脉宽调制）调光是通过调整占空比来控制屏幕亮度的。在这种方法中，屏幕背光源会周期性地开启和关闭。占空比越高，背光源亮的时间越长，屏幕亮度越高；占空比越低，背光源亮的时间越短，屏幕亮度越低。

DC调光：DC（直流）调光是通过调整屏幕背光源的电流来实现亮度调节的。在这种方法中，背光源会一直保持开启状态，但电流的大小会改变，从而调整屏幕亮度。

这两种调光技术各有优缺点：

PWM调光优缺点：

• 优点：能实现较高的亮度范围和对比度，通常在高亮度下表现更好。
• 缺点：在低频率下，PWM调光可能导致屏幕闪烁，对部分人来说可能引起眼睛疲劳和不适。此外，对于快速拍照或录像时，PWM调光可能导致出现条纹或闪烁的现象。

DC调光优缺点：

• 优点：在低亮度下表现更好，因为屏幕背光源一直保持开启状态，不会出现闪烁现象，对眼睛更友好。
• 缺点：在高亮度下，对比度和亮度范围可能不如PWM调光好。此外，DC调光可能导致背光源的寿命降低和能耗略高。

各种技术的选择取决于手机制造商的考虑和市场需求。有一些高端手机是用的混合调光，在高亮度的模式下用DC调光，亮度低于一定值后用PWM调光。

3 让电机动起来

做一个小车最基础的要求就是让他能动起来，至少先能前进后退。

3.1 硬件

一般来说，驱动直流减速电机的方式有以下几种，最省时省力还可靠的方式还是使用集成H桥驱动器的方式：

• 自行构建H桥：如果有特殊需求，也可以自行使用MOSFET构建H桥，难度比较大，新手谨慎尝试。立创开源平台有挺多案例，可以点击链接参考，有多个大MOS管的就是自行构建的H桥驱动，大电流双路直流电机驱动 H桥
• 使用集成H桥芯片：例如TB6612、L298N，RZ7899等。这些集成方案通常包括所有必要的保护和功能，只需通过几个控制引脚（用于方向和PWM速度控制）即可驱动电机。

3.1.1 自行搭建H桥驱动电路

优点：

1. 灵活性：可以根据项目的具体需求选择合适的组件和设计，例如电流、电压、控制逻辑等。
2. 定制化：适合特殊要求或非标准应用。
3. 学习价值：通过自己搭建和调试，可以深入理解H桥的工作原理和如何进行电机控制。

缺点：

1. 复杂性：设计和搭建过程可能涉及很多细节。
2. 可靠性问题：如果设计或搭建不当，可能存在可靠性和稳定性问题。
3. 缺乏保护：集成方案通常包括过流保护、热保护等，自行搭建一般会缺少这些保护机制。
4. 尺寸可能较大：根据设计和元件选择，封装一般都比较大，自行搭建的方案一般会占用电路板更多空间。

3.1.2 使用集成H桥驱动芯片

优点：

1. 便利性：通常包括必要的功能和保护，使得设计和连接更为方便。
2. 可靠性高：集成芯片是经过优化和测试的，通常提供较高的可靠性和稳定性。
3. 尺寸小：集成在一个芯片内的解决方案通常更紧凑，适合空间受限的应用。
4. 成本：对于普通应用，集成方案通常更为经济，而且可以节省设计和测试时间。

缺点：

1. 灵活性较低：集成方案的参数和功能通常固定，可能不适合具有特殊要求的项目。
2. 对特殊应用的适应性较差：如果项目有非标准的电压、电流或其他需求，集成方案就可能不合适。

3.1.3 送药小车实际电路

上面的电路是参考芯片的数据手册设计的，大家在设计原理图时第一参考永远是原厂的手册或原厂的工程。

一个AT8870可以驱动一个直流电机正反转，我们要驱动两个直流电机，所以这里要用两个驱动芯片。他的手册是全中文的，重点要看的参数主要是主供电要求，逻辑供电要求，逻辑输入要求，连续输出电流，峰值输出电流，最大PWM频率等。 了解上面以上参数后我们就可以选电机了，要确保电机的工作电流电压要在电机驱动芯片的工作范围以下，我选的是轮趣科技的MG513P20_12V ,这个电机减速比是20，工作电压是12V，额定电流是0.36A，堵转电流是3.2A。

我们所用的AT8870峰值输出电流是3.6A，那还是有可能在长时间堵转的情况下烧毁的，所以我们需要设置驱动芯片的保护，这款芯片的ISEN引脚可以设置芯片的电流控制电流（这个电阻的取值和参考电压以及要设置的电流有关）。详细介绍可以看AT8870的datasheet的第8页，有详细的介绍和公式。在上面原理图中我就选择0.15欧姆了。代表参考电压为3.3V时，目标电流为2.2A。

因为AT8870目前已经在立创买不到了，所以我们可以找个PINtoPIN的料，AT8236，查看手册可以看到，他的峰值输出电流是6A，为了保护电机和驱动芯片，设置了电流保护，这个芯片的ISEN引脚接入一个电阻就可以设置芯片的电流，当这个电流达到设置的阈值时，驱动器就会输出关断（这个电阻的取值和参考电压以及要设置的电流有关）。详细介绍可以看AT8236的datasheet的第6页，有详细的介绍和公式。在上面原理图中我就选择0.15欧姆了。代表参考电压为3.3V时，目标电流为2.2A。

3.3/(10*0.15)=2.2A ,实测这样配置电流就算电机运行在堵转，最大速度瞬间切换到最小速度，最大速度瞬间外力刹车等情况下均不会导致驱动芯片或电机损坏。

再有就是我们看一下手册中快衰减和慢衰减说的是什么，这里的快慢指的是电流，而不是电机转动的速度。

由于电机是感性负载（当通电时，线圈内会形成磁场。这个线圈的磁场会产生自感电动势，抵抗电流的改变。），当断开电机两端的电压时，电流会产生反向电动势。这可能会对驱动芯片造成损坏。因此，要让电机停下来，除了断开电源，还需要建立一个续流回路来释放电机中的能量。慢衰减相当于加在电机(感性原件)两端电压消失，将电机两端正负短接。快衰减相当于加在电机(感性原件)两端电压消失，将电机两端快速接上与驱动电流相反的电流。如果大家小时候鼓捣过四驱车的马达，就能发现如果把马达两端短接，再用手去转动这个马达就会明显感受到阻力，转的越快阻力越大。

在送药小车中，我们希望小车在停止时电机就立马停止而不是向前滑行一段，所以我这里在电机停止转动时就选择慢衰竭（刹车）模式。

近期发现立创商城上面AT8870停止进货了，那可以选一个更好的，AT8236（网页下面可以直接看手册），最大峰值驱动输出电流可达6A，连续输出驱动电流可达4A，还是PINtoPIN的，可以直接替换，实际焊接的时候直接替换就好了，这也就提醒了我们，设计时要尽量选用有替代方案的物料，不然做成产品出货时后有可能会被一个物料卡住脖子。

3.2 软件

3.2.1 获取GD32定时器的时钟频率

要想输出确定PWM频率的信号，首先要知道当前所用定时器的时钟频率，查看GD32F4xx用户手册中的图4-2.时钟树：

送药小车项目中，用的是外部时钟，APB1和APB2配置如下所示：

//截取至system_gd32f4xx.c

system_clock_240m_25m_hxtal()；
    
/* AHB = SYSCLK */
RCU_CFG0 |= RCU_AHB_CKSYS_DIV1;
/* APB2 = AHB/2 */
RCU_CFG0 |= RCU_APB2_CKAHB_DIV2;
/* APB1 = AHB/4 */
RCU_CFG0 |= RCU_APB1_CKAHB_DIV4;

可知AHB为240Mhz，定时器的时钟有两个路线，一路定时器的时钟从APB1过来，又因为上面这个TIMERSEL时钟源选择这个位，APB1是四分频，定时器的时钟要是APB时钟的两倍。所以APB1下时钟频率为120MHz，也就是TIMER1,2,3,4,5,6,11,12,13是120MHz。另一路定时器时钟从APB2过来，这些定时器也要乘以2，所以TIMER0,7,8,9,10时钟频率为240MHz。

3.2.2 电机驱动的PWM配置

代码中这里用的是定时器的输出PWM功能，选用EAPWM（边沿对齐PWM），EAPWM 的周期（频率）由 TIMERx_CAR 寄存器值决定，占空比由 TIMERx_CHxCV 寄存器值决定。

上图中的Cx OUT就是对应的引脚输出的PWM波了，当CNT（计数器值）小于CHxVAL时引脚输出高有效电平，当CNT（计数器值）大于CHxVAL引脚就输出低有效电平。

该项目所用到的电机驱动芯片AT8870||AT8236最高可以接收100KHz的频率（频率越高驱动电机也就越顺滑）。所以配置PWM频率时不能超过100KHz。

首先我们需要知道当前所用定时器的时钟频率，在这个项目中，要驱动两个电机，每个电机驱动需要两路PWM值。电机驱动1用的是定时器8，结合上面的基础知识，他的时钟频率是240MHz。电机驱动2用的是定时器11。他的时钟频率是120MHz。分别都是用的相应定时器的通道1和通道2，详情看代码沃。

在下面的代码中，预分频(prescaler)和周期（period）都是从0开始计数的，所以一分频就是0，四分频是3，写成下面的形式只是为了表示更直观。定时器周期（period）是定时器计数的最大值，当计数器的值到达这个值时会重新开始计数。一般的电机驱动PWM频率20KHz就够用，这里我就都配置成60KHz了。

//定时器8时钟频率配置关键代码
timer_param_type.period = 1000-1;   //60kHz
timer_param_type.prescaler = 4-1;   //240Mhz/4=60MHz

//定时器11时钟频率配置关键代码
timer_param_type.period = 1000-1;   //60kHz
timer_param_type.prescaler = 2-1;   //120Mhz/2=60MHz

在下面的代码中，配置了定时器的通道0，关键的配置设置了ocpolarity = TIMER_OC_POLARITY_HIGH;，timer_channel_output_pulse_value_config(M1_MOTOR_TIMER, TIMER_CH_0, 1000);相当于把占空比设置为了100%。相当于把这个引脚拉高了。当电机驱动的两个引脚都为高电平时，会进入刹车模式，这时候转动车轮能感觉到明显的阻力。

timer_channel_output_struct_para_init(&timer_oc_init_struct);
timer_oc_init_struct.ocpolarity = TIMER_OC_POLARITY_HIGH;
timer_oc_init_struct.outputstate = TIMER_CCX_ENABLE;
timer_oc_init_struct.outputnstate = TIMER_CCXN_DISABLE;
timer_oc_init_struct.ocnpolarity = TIMER_OCN_POLARITY_HIGH;
timer_oc_init_struct.ocidlestate = TIMER_OC_IDLE_STATE_LOW;
timer_oc_init_struct.ocnidlestate = TIMER_OCN_IDLE_STATE_LOW;

timer_channel_output_config(M1_MOTOR_TIMER, TIMER_CH_0, &timer_oc_init_struct);
timer_channel_output_pulse_value_config(M1_MOTOR_TIMER, TIMER_CH_0, 1000);
timer_channel_output_mode_config(M1_MOTOR_TIMER,TIMER_CH_0,TIMER_OC_MODE_PWM0);
timer_channel_output_shadow_config(M1_MOTOR_TIMER,TIMER_CH_0,TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);

其他通道的配置也和这个一样。

详情请看bsp->bsp_motor.c文件。

代码简要介绍：

1. motor_pwm_gpio_init()：用于初始化电机驱动的PWM控制引脚。通过配置引脚的模式和复用功能，将引脚设置为PWM输出模式。
2. motor_timer_init()：用于初始化电机驱动的硬件定时器。该函数通过配置定时器的参数，包括时钟分频、计数方向、周期和占空比等，设置定时器为PWM模式。
3. motor1_in1_pwm_pulse_set()、motor1_in2_pwm_pulse_set()、motor2_in1_pwm_pulse_set()、motor2_in2_pwm_pulse_set()：分别用于设置电机1和电机2的PWM脉宽值。这些函数通过配置定时器的通道和脉冲值，控制对应引脚的PWM输出。
4. motor1_pwm_value_set()、motor2_pwm_value_set()：用于调节电机1和电机2的PWM值，即控制电机的速度。通过调整对应引脚的PWM脉宽值来实现速度调节。

3.3 实际测试

3.3.1 打开工程

打开1_turn_the_motor下的工程，编译并烧录到立创梁山派。

3.3.2 观察现象

如果供电正常，此时两个电机就会开始转动。

3.3.3 查看波形

结合原理图，可以知道我们电机1的PWM驱动在PA2和PA3上，我们把示波器的两个通道连接到这两个引脚上，接地也要接好。

CH1连接到了PA2，CH2连接到了PA3

通过测量可以知道他的频率约为60.002Khz，周期约为16.666us，满足我们之前计算出来的频率，这两个引脚都在高电平的时候驱动芯片处于刹车状态，当PA2变为低电平的时候驱动芯片就会给电机供电，不过这个频率足够高而且电机旋转也有惯性，所以实际运行中我们是感觉不到电机旋转时的顿挫感的。

再测量一下他的低电平占空比，测量可以知道占空比约为20.07%。结合程序中，我们设置的PWMCHxCV 寄存器为200，周期为1000。所以程序设置的占空比为20%，符合实际预期。

4 让舵机动起来

舵机（Servo Motor）是一种特殊的电机，它可以精确地控制旋转角度。舵机广泛应用于模型船、航空模型、遥控车和其他需要精确角度控制的领域。

舵机的工作原理主要基于脉冲宽度调制（PWM）信号。PWM信号由高电平和低电平组成，其中高电平的时长称为脉冲宽度。通过调节脉冲宽度，可以控制舵机的旋转角度。也有通过串口通讯来控制的舵机，会比较贵。

舵机通常由电机、减速器、电子电路和输出轴组成。舵机的基础知识：

1. 工作原理：舵机内部有一个电机驱动减速器转动，减速器的输出轴与电位器相连，电位器会随着输出轴的转动而发生变化，变化的电位器信号被反馈给驱动电路，电路会根据电位器的信号调整电机的转速，使输出轴停在设定的位置上。
2. 控制信号：舵机的控制信号通常是一个 PWM 脉冲信号，信号的周期为 20ms（即频率为50Hz），脉宽为 1ms 到 2ms 之间，其中 1ms 表示输出角度为最小值，2ms 表示输出角度为最大值，1.5ms 表示输出角度为中间值。
3. 输出角度：舵机的输出角度通常为 0 到 180 度之间，不同型号的舵机有不同的输出角度范围。
4. 扭矩：舵机的扭矩是指舵机输出轴能够承受的最大力矩，扭矩的大小具体要看所选舵机的参数。
5. 电源电压：小功率舵机的电源电压一般为 4.8V 到 6V 之间，不同的舵机有不同的电源电压范围，这次用的ES08A II舵机就是5V供电的。

因为K210的摄像头要识别地图上的红线，也要识别数字，所以需要微调摄像头的角度来切换这两种模式。

4.1 硬件

这里就是用了一个双排侧插的排针把 地，+5V，PWM引脚给引出来了。舵机的内部已经有控制电路了，所以我们要用的话就给电源和PWM信号就可以了。需要注意的是我这里用的舵机是5V舵机，因为带一个小摄像头旋转也不需要多大的力矩，而市面上扭矩大的舵机一般都是7v以上供电的，在选型的时候就要注意这个的供电。

4.2 软件

定时器7的时钟频率是240MHz（怎么得出来的查看上面的 获取GD32定时器的时钟频率部分），在下面的代码中，舵机需要的周期是20ms也就是50Hz

//定时器7时钟频率配置关键代码
timer_param_type.period = 1200-1;   //50Hz
timer_param_type.prescaler = 4000-1;   //240Mhz/4000=60000Hz

PWM的通道配置和上面电机驱动的配置一样。

设置具体的脉宽就是调用timer_channel_output_pulse_value_config(SERVO_TIMER, TIMER_CH_0, SERVO_FIND_LINE_ANGLE);来改变舵机转动的角度。

详情请看bsp->bsp_servo.c文件。

1. 定义了两个静态函数：servo_pwm_gpio_init()和servo_timer_init()。这些函数用于初始化舵机的GPIO和定时器。
2. servo_pwm_gpio_init()函数中，首先使能了舵机的GPIO时钟，然后配置了GPIO的模式和复用功能。最后，设置了输出选项，包括输出类型、输出速度等。
3. servo_timer_init()函数中，首先使能了舵机所使用的定时器的时钟。然后进行了定时器的初始化设置，包括计数方向、计数模式、计数周期、预分频等参数。接着，配置了定时器的通道输出模式和脉冲值，并设置了定时器的输出极性和空闲状态。
4. servo1_pwm_pulse_set()和servo2_pwm_pulse_set()函数分别用于设置舵机1和舵机2的脉冲宽度。这些函数通过调用timer_channel_output_pulse_value_config()函数来设置定时器的通道输出脉冲值，从而控制舵机的角度。
5. 最后，定义了一个servo_init()函数，用于初始化舵机控制。该函数调用了servo_pwm_gpio_init()和servo_timer_init()函数来进行初始化操作。

4.3 实际测试

4.3.1 打开工程

打开1_turn_the_motor下的工程，编译并烧录到立创梁山派。

4.3.2 观察现象

在上电前把舵机用手转到偏一点的位置，上电后舵机会自动转到中位上（这个具体和你安装的角度有关）

4.3.3 查看波形

结合原理图，可以知道我们舵机的PWM驱动引脚在PC6上，我们把示波器的通道1连接到这个引脚上，接地接好。

通过测量可以知道他的周期约为20.001ms，频率约为49.998Hz，满足对舵机控制的要求。测上面的高电平脉宽约为1.423ms，在程序中，我设置的巡红线环角度值寄存器为85，这个定时器的周期寄存器值为1200，在这里1200就代表了50Hz ，也就是20ms，理论值为（85/1200）*20ms=1.41ms，和实际预期符合。