树莓派几种不同的PWM及其应用

树莓派上PWM其实应用的不多，很多例子都是简单地用代码控制小灯地闪亮黯淡过程，这在我之前刚接触硬件时充满懵懂的脑子面前显得十分新奇，后来慢慢懂了PWM，很多时候用在步进马达上，后来，慢慢过了半年后，我才发现一个问题，当树莓派有发热现象，传统地调用树莓派PWM功能时，步进马达总是怪怪的，转的不是很规律，有点性能跟不上的感觉。深入进去，发现PWM有多东西，这次就趁机总结一下，方便以后使用。

1. 树莓派上PWM的分类

1.1 Fully hardware PWM (全硬件PWM)

这种类型的PWM由树莓派的PWM外设产生。脉冲的时序由PWM外设控制。它是最准确的，而且可以说是最灵活的。
它可以在GPIO 12/13/18/19上生成。但是，只有两个通道，因此一次只能生成两个不同的PWM流。GPIO 12/18在一个通道上，GPIO 13/19在另一个通道上。
适用于无抖动的伺服，无干扰的LED亮度控制，电机速度控制。

1.2 DMA timed PWM （DMA定时PWM）

这种类型的PWM由树莓派的DMA外设产生。
脉冲的时序由DMA控制。它的定时精度不如完全硬件的PWM精确，但比软件定时的PWM精确得多。取决于实现方式，它不如完全硬件的PWM灵活，例如，频率的数量要受限制得多，开和关之间的步数要受限制得多。
此类PWM可以在扩展头上的任何GPIO上生成。所有GPIO可能具有不同的设置。
适用于无抖动的伺服，无干扰的LED亮度控制，电机速度控制。

1.3 Software Timed PWM （软件定时PWM）

这种类型的PWM由软件生成。
脉冲的时序由（Linux）调度程序控制。与完全硬件PWM或DMA定时PWM相比，它的定时精度明显降低。它比DMA定时PWM灵活得多，并且与完全硬件PWM一样灵活，例如，频率数量是无限的，开和关之间的步数是无限的。
此类PWM可以在扩展头上的任何GPIO上生成。所有GPIO可能具有不同的设置。时序精度将根据用于PWM的GPIO数量而变化。
不太适合伺服器，可以控制LED的亮度，但会出现毛刺，适合于电机速度控制。

脉冲稳定性当然是：全硬件PWM >> DMA定时PWM >> 软件定时PWM

2. 树莓派上PWM的实现方式

2.1 传统的实现方式

手动sleep来实现pwm功能，步进马达连接与传统实现可以看这里

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
while True:
	print ("Move Backward")
	for i in range (5*200):
		GPIO.output(LinearActuatorDir, 0)
		GPIO.output(LinearActuatorStepPin, 1)
		time.sleep(LowSpeed)
		GPIO.output(LinearActuatorStepPin, 0)
		time.sleep(LowSpeed)
		print ("Moving")
    ...

2.2 神级武器gpiozero

这里我们可以用gpiozero中的PWMOutputDevice类

1
2
# 初始化完即运行，initial_value为占空比，frequency为频率
p = PWMOutputDevice(pin, *, active_high=True, initial_value=0, frequency=100, pin_factory=None)

注意，这里有一个点，pin_factory=None一般情况下默认使用的是RPi.GPIO，而RPi.GPIO默认的PWM是Software Timed PWM，所以可能稳定性不太好，所以我们可以使用factory = PiGPIOFactory(host='127.0.0.1')， PiGPIO支持DMA timed PWM，这个比较好

2.3 庞大的pigpio （不推荐新手）

piggio python库中的set_PWM_dutycycle函数和hardware_PWM函数分别对应DMA，以及Fully hardware，这里不做过多阐述，自己也不是很懂 =。= ，有点尴尬，感觉相对于gpiozero稍微有点麻烦，可以看两者区别和pigpio文档