一、PWM简介

PWM（脉宽调制，Pulse Width Modulation） 是一种通过调节数字脉冲信号的占空比来等效模拟输出电平的技术。它在数字系统（如单片机、树莓派）中广泛用于高效控制模拟电路，例如调节电机速度、LED亮度或电源电压等。

• 占空比（Duty Cycle）： 指在一个PWM信号周期内，高电平持续时间占整个周期时间的百分比。

  • 公式： 占空比 = (高电平时间 / 周期时间) × 100%

  • 示例： 50%占空比表示高电平和低电平持续时间各占周期的一半。

二、树莓派PWM输出实践

1. 基础PWM输出

1. 创建程序文件：
   使用 nano 编辑器创建C语言源代码文件：

   nano pwm_basic.c

2. 编写程序代码 (pwm_basic.c):

   #include <stdio.h>
   #include <stdlib.h> // 添加 exit 函数声明
   #include <wiringPi.h>
   #include <softPwm.h>
   
   #define PWM_PIN 29 // 使用 WiringPi 引脚编号 29 (对应 BCM GPIO 21)
   
   int main()
   {
       printf("树莓派 PWM 输出基础实验\n");
   
       // 初始化 wiringPi 库
       if (wiringPiSetup() == -1) {
           printf("初始化 wiringPi 失败！\n");
           exit(1); // 退出程序
       }
   
       // 创建软件 PWM
       // 参数: 引脚, 初始值, PWM范围 (Range)
       // 频率 = 100Hz (默认) / Range
       // 当前设置: Range=100 -> 频率 = 100Hz
       softPwmCreate(PWM_PIN, 0, 100);
   
       // 设置 PWM 输出占空比
       // 占空比 = value / Range * 100%
       // value=50, Range=100 -> 占空比 = 50%
       softPwmWrite(PWM_PIN, 50);
   
       printf("PWM 输出已启动 (引脚 %d, 50%% 占空比)...\n", PWM_PIN);
       printf("按 Ctrl+C 退出程序。\n");
   
       // 主循环，保持程序运行
       while (1) {
           delay(1000); // 延时1秒，避免CPU空转占用过高
       }
   
       return 0; // 实际不会执行到这里
   }

   代码说明:

   • 使用 softPwmCreate(PWM_PIN, 0, 100) 初始化引脚为软件PWM输出。100 是 PWM 范围 (pwmRange)。

   • PWM 频率计算： 软件PWM的默认基础频率约为100Hz。实际输出频率 = 100Hz / pwmRange。

     • pwmRange=100 -> 频率 ≈ 100Hz / 100 = 1Hz

     • pwmRange=50 -> 频率 ≈ 100Hz / 50 = 2Hz

     • pwmRange=2 -> 频率 ≈ 100Hz / 2 = 50Hz

   • softPwmWrite(PWM_PIN, 50) 设置输出值。占空比 = value / pwmRange * 100%。这里 value=50, pwmRange=100, 占空比为50%。

   • 添加了 delay(1000); 在 while(1) 循环中，避免程序空转消耗过多CPU资源。

   • 添加了退出提示信息。

3. 保存文件:

   • 在 nano 中，按 Ctrl + O 写入文件，回车确认文件名。

   • 按 Ctrl + X 退出 nano。

4. 编译程序:
   打开终端，进入程序文件所在目录，使用以下命令编译：

   gcc pwm_basic.c -o pwm_basic -lwiringPi

   • gcc: C语言编译器

   • pwm_basic.c: 源代码文件

   • -o pwm_basic: 指定输出可执行文件名为 pwm_basic

   • -lwiringPi: 链接 wiringPi 库

5. 运行程序:

   sudo ./pwm_basic  # 通常需要 root 权限访问 GPIO

6. 测试验证:

   • 示波器： 最直接的方法是使用示波器探头连接到树莓派的 GPIO 21 (对应 WiringPi 29) 引脚和 GND 引脚，观察输出的PWM波形（周期应接近1s，占空比50%）。

   • LED： 将一个LED（带合适限流电阻，如220Ω-1kΩ）正极接GPIO 21，负极接GND。LED应呈现约50%的亮度（肉眼感知可能接近全亮，但用手机慢动作拍摄可观察到闪烁）。改变 softPwmWrite 的值（0-100）可调节亮度。

   • 舵机验证： 见下一节。

2. 应用：舵机控制 (SG90)

舵机（如常见的SG90 180°型号）通常使用周期为 20ms (50Hz)、高电平宽度在 0.5ms 到 2.5ms 之间的PWM信号来控制角度。

• 角度与控制脉冲宽度关系：

  • 0.5ms -> 0°

  • 1.0ms -> 45°

  • 1.5ms -> 90°

  • 2.0ms -> 135°

  • 2.5ms -> 180°

1. 硬件连接：

   • 将舵机的 信号线（通常是橙色或黄色） 连接到树莓派的 GPIO 21 (WiringPi 29) 引脚。

   • 将舵机的 电源线（红色） 连接到 5V 引脚。

   • 将舵机的 地线（棕色或黑色） 连接到 GND 引脚。

   注意： 如果控制多个舵机或大功率舵机，建议使用外部电源供电，并将外部电源地与树莓派GND相连。

2. 修改程序 (pwm_servo.c):

   #include <stdio.h>
   #include <wiringPi.h>
   #include <softPwm.h>
   
   #define PWM_PIN 29 // 使用 WiringPi 引脚编号 29 (对应 BCM GPIO 21)
   
   int main() {
       printf("树莓派 PWM 舵机控制实验\n");
   
       // 初始化 wiringPi 库
       if (wiringPiSetup() == -1) {
           printf("初始化 wiringPi 失败！\n");
           return 1;
       }
   
       // 创建软件 PWM 用于舵机
       // 目标周期: 20ms (50Hz)
       // 计算 PWM Range: Range ≈ 100Hz(基础) / 目标频率(50Hz) = 2
       // 设置 Range = 200 可以获得更精细的角度控制
       softPwmCreate(PWM_PIN, 0, 200); // Range=200, 频率≈100Hz/200=0.5Hz? 需要修正理解
   
       // 修正: 软件PWM频率计算公式更正
       // 实际 softPwm 底层使用 100μs 的时间片。
       // 周期时间 (us) = Range * 100μs
       // 目标周期 20000us (20ms) = Range * 100us
       // => Range = 20000us / 100us = 200
       // 因此: softPwmCreate(PWM_PIN, 0, 200); 设置后，周期=20ms (50Hz) 正确。
       // 此时 value 范围 0-200, 对应高电平时间 = value * 100μs
   
       int angle = 0; // 初始角度设为 0°
   
       while (1) {
           // 将角度 (0°-180°) 转换为 PWM 值 (控制高电平时间)
           // 高电平时间范围: 500us (0°) - 2500us (180°)
           // 高电平时间 (us) = 500 + (angle * 2000 / 180) = 500 + (angle * 100 / 9)
           // 因为 value 代表 100μs 的个数: value = 高电平时间(us) / 100
           // => value = (500 + (angle * 100 / 9)) / 100 = 5 + (angle / 9)
           // 更直观的写法:
           int pulseWidthUs = 500 + angle * (2000 / 180); // 计算所需高电平时间(us)
           int value = pulseWidthUs / 100;                // 计算对应的PWM value (100us为单位)
   
           // 或者直接使用等效公式: value = 5 + (angle * 20) / 180; // 即 5 + angle/9
           value = 5 + (angle * 20) / 180; // 结果相同
   
           // 输出 PWM 信号控制舵机
           softPwmWrite(PWM_PIN, value);
   
           printf("当前角度: %d° (Value=%d)\n", angle, value); // 打印角度和对应值
   
           angle += 10;       // 角度增加 10°
           if (angle > 180) {
               angle = 0;     // 到达 180° 后归零
           }
   
           delay(1000);      // 延时 1 秒
       }
   
       return 0;
   }

   代码说明:

   • 核心公式： 控制舵机角度的关键在于生成对应宽度的高电平脉冲。

     • 所需高电平时间 (pulseWidthUs) = 500 + angle * (2000 / 180) 微秒 (μs)。简化计算：500 + angle * 100 / 9。

     • 由于 softPwm 底层以 100μs 为单位，value = pulseWidthUs / 100。

     • 合并公式：value = 5 + angle / 9。代码中使用了整数运算友好的 value = 5 + (angle * 20) / 180 (等价于 5 + angle/9)。

   • PWM设置 (softPwmCreate):

     • 设置 Range = 200。这是为了匹配舵机需要的 20ms (20000μs) 周期。

     • 底层机制：softPwm 使用 100μs 时间片。周期 = Range * 100μs。

     • 目标周期 20000μs = Range * 100μs => Range = 200。设置正确。

     • value 范围 0-200，对应高电平时间 0-20000μs。舵机只识别 500-2500μs 部分。

   • 角度变化步长改为 10° 并每秒移动一次，演示效果更明显。

   • 输出信息包含当前角度和计算出的 value 值，便于调试。

3. 编译与运行:

   gcc pwm_servo.c -o pwm_servo -lwiringPi
   sudo ./pwm_servo

4. 观察现象:
   舵机会从 0° 开始，每秒钟转动 10°，到达 180° 后跳回 0° 重新开始转动。

三、总结

本文详细介绍了如何在树莓派4B上利用 wiringPi 库的 softPwm 功能实现 PWM 信号输出。从 PWM 的基础原理讲起，通过基础 LED 亮度控制示例演示了 PWM 的生成方法，并重点讲解了如何使用 PWM 精确控制 SG90 舵机的角度。关键点在于理解 PWM 周期（20ms） 和 高电平脉冲宽度（0.5ms-2.5ms） 与舵机角度的对应关系，并通过计算将其转换为 softPwmWrite 函数所需的 value 值。

提供的示例代码可以直接用于基础实验和舵机控制，读者可以根据需要修改引脚、角度范围和运动模式。掌握 PWM 技术是树莓派进行电机控制、LED调光等交互应用的重要基础。

温馨提示：

• 操作 GPIO 通常需要 sudo 权限。

• 连接舵机时务必注意电源匹配，避免树莓派 5V 电源过载。

• softPwm 是软件模拟实现，其精度和实时性有一定限制。对精度和实时性要求极高的应用（如多路精确同步）可考虑使用树莓派硬件 PWM 引脚（BCM GPIO 12, 13, 18, 19），但这需要不同的库和配置。

希望这篇博客能帮助你顺利在树莓派上实现 PWM 控制！如有任何疑问或发现文中疏漏，欢迎在评论区留言讨论。