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，这个解释来源于百度知道：

“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：https://github.com/raspberrypi/firmware/issues/1178
3. Raspberry Pi GPIO Pin Alternate Functions：https://www.dummies.com/computers/raspberry-pi/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：https://baike.baidu.com/item/脉冲宽度调制/10813756