mBlock & Arduino(4)利用 PWM 模拟类比信号

在〈mBlock & Arduino(2)点亮外接 LED〉中谈过,Arduino 中的 D0 到 D13 可以做为数位输出/输入脚位,如果我们想输出类比讯号呢?例如,想要 2V、2.5V、3.5V 之类的的电压输出,而不是只有高电位的 5V 与低电位的 0V 选择。

在 Arduino 上的 A0 到 A5 脚位,似乎有 ANALOG 字样,不过仔细看是 ANALOG IN,也就是 A0 到 A5 脚位,是用来接收类比讯号之用,不是用来输出类比讯号。

如果想要在 Arduino 上输出类比讯号,也是用数位脚位来做,不过,数位脚位不是只有高电位与低电位吗?怎么做出类比讯号的效果?

认识 PWM

PWM 全名 Pulse Width Modulation,可译为脉冲宽度调变,所谓调变,基本上是指将想传送的讯号编码至一个载体(Carrier),举例来说,我们的 AM(Amplitude modulation) 广播,就广播站台将音乐(讯号)编码在指定的频率(也就是载体)之中。

PWM 是使用高、低电压时间周期来为讯号编码,以模拟类比讯号为例,基本原理是若在一个时间周期中,50% 的时间输出高电位 5V,而 50% 输出的时间输出低电位 0V,那么就整个时间周期来说,平均电压可视为 2.5V,类似地,如果 90% 的时间输出高电位 5V,那么就整个时间周期来说,平均电压可视为 4.5V,若 10% 的时间输出高电位 5V,那么就整个时间周期来说,平均电压可视为 0.5V。

输出高电位时间的百分比,称之为 Duty cycle,许多 Arduino 的介绍中若谈到 PWM,都会引用Arduino – PWM的这张图,以便了解 Duty cycle,以及analyWrite之意义:


mBlock & Arduino(4)利用 PWM 模拟类比信号_第1张图片

稍后我们再来谈analogWrite。若想使用 PWM 模拟类比讯号输出,单只是知道 Duty cycle 还不够,如果你频率不够快,例如像〈mBlock & Arduino(2)点亮外接 LED〉一秒高电位、一秒低电位的,那么,你也只会看到 LED 一亮一暗的,也就是说,PWM 最基本的两个参数是 Duty cycle 与时脉周期(Clock cycle),后面会有个范例,使用 Arduino 的 PWM 脚位并调整 Duty cycle(时脉周期由 Arduino 控制),你的 LED 就可以由暗渐亮,就像调整可变电阻一样。

程式实作的 PWM

了解了 PWM 的基本原理,那么先来使用程式实作 PWM(Bit-banging PWM),在 mBlock 中,最基本的方式,是使用等待方块来实作 Duty cycle 与时脉周期,例如:

mBlock & Arduino(4)利用 PWM 模拟类比信号_第2张图片

这样就实作出 Duty cycle 为 90%,而频率为 2 Hz 的 PWM,实际测量结果,电压约是在 4V 左右跳动,如果你将两个输出的 0、1 对调,那实际测量结果,电压约是在 1V 左右跳动,实际接上 LED 的话,因为频率不大,LED 还是一闪一闪,看不太出类比模拟的效果。

这是因为 mBlock 的等待方块可设定的等待值没办法太小(如果使用 Arduino 官方语言,可以使用delayMicroseconds这个可达微秒的函式),只能稍微模拟出这样的效果,实际上使用等待方块,还有无法多工的缺点,我们另外使用 mBlock 可至毫秒的计数器来实作一个,首先,我们先在“资料和指令”中“新增积木指令”:

mBlock & Arduino(4)利用 PWM 模拟类比信号_第3张图片

这个积木指令主要是用来设置一些变数,而这些变数,会用来计算指定的脚位之输出:

mBlock & Arduino(4)利用 PWM 模拟类比信号_第4张图片

dutyCycle在这边是使用百分比指定的,程式会依据dutyCycle的设定,决定指定的数位脚位何时高电位、何时低电位,从这两张图来看,频率被我设定为 20 Hz。

只要绿旗一被点下,这个模拟 PWM 的回圈就会一直进行,为了能看出亮度变化效果,我另外设置了一个回圈:

mBlock & Arduino(4)利用 PWM 模拟类比信号_第5张图片

这个回圈就只是不断改变 Duty cycle,如果接下 LED,这时能看到 LED 会有亮度的差别。

当然,频率还不够快,因此还是会看出 LED 闪烁,不过大致可看出 Duty cycle 设置为不同的值,LED 亮度有所差别。

Arduino 的 PWM 脚位

在 Arduino 的数位脚位旁,如果标示有 ~ 符号,表示那个脚位可用为 PWM 输出脚位,分别是 D3、D5、D6、D9、D10、D11 脚位,可以使用analogWrite函式来设置 Duty cycle 的值,这个函式可用来控制 Arduino 板子上的硬体 PWM,可设置的值为 0 ~ 255,如方才所看到的 PMW 说明图片,0 为 0% 的 Duty cycle,64 为 25%,127 为 50%,依此类推,在 mBlock 中,则是使用“设置 PWM …”这个方块:

mBlock & Arduino(4)利用 PWM 模拟类比信号_第6张图片

这个程式设置 D6 脚位使用 PWM 输出,你可以实际接上 LED,看看亮度的变化情况。

Arduino 板子上的 PWM,实际上有三个计时器,分别控制着两个 PWM 脚位,如果你想做更多的控制,像是不只能设置 0 ~ 255 的 Duty cycle,不过 mBlock 没有直接的指令可以控制,如果你有兴趣,可以使用 Arduino 的官方语言,并参考Secrets of Arduino PWM这篇文章。

感谢CodeData用户:caterpillar的贡献 著作权归作者所有

整理:宁波家电物联网云平台,中科极动云

你可能感兴趣的:(mBlock & Arduino(4)利用 PWM 模拟类比信号)