PWM-脈衝寬度調變

我相信很多人在使用Arduion的時候還是不清楚PWM到底在幹嘛?
PWM是一種可以將類比訊號以數位編碼來表示的技術，而表示的方法就是利用高頻率的方波，並時時的改變工作週期(duty cycle)，達到模擬類比訊號的效果。

為什麼這樣的波形就可以模擬類比訊號的輸出呢?
我們可以用LED來想像，如果波的頻率很慢，例如1秒高電位1秒低電位，那我們肉眼就會看到燈泡閃爍，那如果頻率超級高呢?例如頻率是1MHz，也就是1秒鐘高低電位變化一百萬次，這已經遠遠的超出肉眼可以辨識的頻率了，此時你就會看到LED的亮度變一半。我們可以調整一個周期內高電位的比率(這也就是duty cycle)，如果在一個周期內有90%的時間都是高電位的話，那自然燈泡的亮度就會比較亮。

如何描述一個方波

有兩個參數，第一個就是頻率，另一個就是工作週期(duty cycle)。假設一個PWM的頻率是1kHz、工作週期為30%，那也就是一個波的週期是1ms，而在這一毫秒當中，有0.3ms是高電位。

Arduino的analogWrite輸出的就是方波，而他預設的頻率為490Hz不太能更動，而我們函式放的參數是0~255，這竟是調整工作週期，255時，工作週期為100%

PWM輸出-設定

我們首先打開TIM2、CH1的PWM Output，選哪一個channel都沒關係，只是不同channel會對應到不同的腳位(TIM2 CH1的腳位是PA0)，一樣可以在底下configuration的GPIO setting裡面找到。

方波的輸出是利用timer,我們需要調整三個參數，PSC、ARR、與Pulse，這些參數與timer的使用相同，只有pulse是新的，在預設情形下CNT < Pulse的情況會是輸出高電位，反之則輸出低電位。
我們首先產生一個頻率為1kHz，dutycycle為50%的方波。三個參數的配置如下：
PSC = 15
ARR = 1000
Pulse = 500
=>duty cycle = 500 / 1000 * 100% = 50%

程式

只需要一個函式就可以了!

HAL_TIM_PWM_Start(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel)

把它放在while迴圈之前啟動一次即可，第二個參數放你要啟用哪一個頻道，可以為TIM_CHANNEL_1~4，如果要一次啟用多個也可以放TIM_CHANNEL_ALL。

HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
while (1)
{
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */

但是問題來了，你要如何知道你有正確輸出呢?
有兩種方式，一種是你直接拿電錶測量，但這種方式你只會測量到平均出來的電壓，一般GPIO的輸出是3.3V，而我們設定的duty cycle = 50% 因此用電表量出來的電壓應為3.3 * 0.5 = 1.65V。但是這種方式並不是很值觀的看到我們的輸出，也有可能它本身的輸出就是1.65V啊。因此這時候我們就需要使用示波器，這真的可以說是一個很好用的工具，重要性不亞於三用電表。他也是我們debug的好工具。
在這裡我們就不教學示波器的操作了，它的用法其實與三用電表很相似，只是它測量的頻率非常高，並在螢幕上顯示波形。底下是用示波器看到PA0這個腳位輸出的波形，可以看到頻率為1.005kHz，工作週期為49.93%與我們設定的值相當接近。

接下來還有一個問題，我們都知道伺服馬達是透過不同的工作週期來調整角度，那我們要控制角度也就是要調整工作週期，因此我們要有辦法更改pulse的值。

__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(__HANDLE__, __AUTORELOAD__) 
__HAL_TIM_SET_COMPARE(__HANDLE__, __CHANNEL__, __COMPARE__)

第一個函式可以改ARR的值，第二個函式可以修改Pulse的值。這裡要注意的是，同一個timer，的ARR值是相同的，也就是說同一個timer，不同頻道所產生的方波，頻率皆相同。而Pulse則是每個頻道獨立的，因此我們可以再同一個timer中不同頻道產生出不同工作週期的方波。
例如我們要修改TIM2的ARR值為50可以寫成:

__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim2, 50);

而我們要修改TIM2的Channel 1的Pulse為50可以寫成:

__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2,TIM_CHANNEL_1,50);

小結

學會這個功能之後，相當於解鎖了新的領域，我們可以用來控制伺服馬達、步進馬達...，PWM的輸出難度不大，只要稍微計算一下工作週期ARR、PSC、Pulse，來符合我們要的頻率與工作週期即可。明天我們就來實際控制Servo!