PWM

在本章中，我们将学习如何在应用层中使用 PWM。

示例程序：Code.zip

1.PWM

PWM，全称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），是一种通过控制信号的脉冲宽度来实现模拟信号输出的技术。它常用于嵌入式系统和电子设备中，用于控制电机速度、LED 亮度、音频信号生成等应用。

在 Linux 系统中，PWM 设备通常通过 sysfs 文件系统进行管理和配置，其设备目录通常位于 /sys/class/pwm/ 目录下。

2.控制PWM（Shell）

2.1 引脚分布

由于在 LuckFox Pico 、LuckFox Pico Mini A/B 和 LuckFox Pico Plus/Pro/Max 引脚复用，会有引脚功能冲突，所以各型号开发板默认开启的PWM如下：

• LuckFox Pico:
  • PWM0_0 - 34 号引脚
  • PWM1_0 - 4 号引脚
  • PWM10_1 - 54 号引脚
  • PWM11_1 - 55 号引脚
• LuckFox Pico Mini A/B:
  • PWM10_1 - 54 号引脚
  • PWM11_1 - 55 号引脚
• LuckFox Pico Plus:
  • PWM0_0 - 34 号引脚
  • PWM1_0 - 4 号引脚
  • PWM10_1 - 54 号引脚
  • PWM11_1 - 55 号引脚
• LuckFox Pico Pro/Max:
  • PWM5_1 - 72 号引脚
  • PWM6_1 - 73 号引脚
  • PWM10_1 - 54 号引脚
  • PWM11_1 - 55 号引脚

1. LuckFox Pico 引脚图：
   

2. LuckFox Pico Mini A/B 引脚图：
   

3. LuckFox Pico Plus 引脚图：
   

4. LuckFox Pico Pro/Max 引脚图：
   

5. LuckFox Pico Ultra/Ultra W 引脚图：
   

2.2 设备目录

在 /sys/class/pwm/ 目录中，每个 PWM 设备都有一个独立的子目录，其名称通常以 pwmchipX 的形式命名，其中 X 是 PWM 设备的编号。您可使用如下命令查看：

# ls -l /sys/class/pwm
lrwxrwxrwx    1 root     root             0 pwmchip10 -> ../../devices/platform/ff490020.pwm/pwm/pwmchip10
lrwxrwxrwx    1 root     root             0 pwmchip1 -> ../../devices/platform/ff350010.pwm/pwm/pwmchip1
lrwxrwxrwx    1 root     root             0 pwmchip11 -> ../../devices/platform/ff490030.pwm/pwm/pwmchip11
lrwxrwxrwx    1 root     root             0 pwmchip0 -> ../../devices/platform/ff350000.pwm/pwm/pwmchip0

2.3 设备属性

在成功导出 PWM 的一个通道后，会在该 PWM 的设备目录下生成单个通道的目录，其中有这个通道对应的属性文件，用户可以通过修改这些文件的内容来配置和控制特定 PWM 通道的各个参数，以实现对 PWM 信号的精确控制。这提供了一个方便的接口，使用户能够与 PWM 硬件进行交互并调整 PWM 信号的特性。

1. 查看PWM10单个通道的属性文件

   # ls /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/
   uevent       capture      duty_cycle   output_type
   polarity     enable       power        period

2. 属性文件

   通过使用这些属性文件，您可以轻松地配置和控制 PWM 通道，使其适应不同的应用场景和需求。其中一些关键的属性如下：

   • enable：用于启用或禁用PWM通道。
   • period：用于设置PWM信号的周期时间。
   • duty_cycle：用于设置PWM信号的占空比。
   • polarity：用于配置PWM信号的极性。
   • power/control：用于启用或禁用PWM通道的电源管理（通常用于省电模式）。

2.4 控制PWM

1. 测试 PWM。将PWM10_M1(GPIO1_C6_d)导出到用户空间

   echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip10/export

2. 设置PWM周期单位为ns，比如 1KHz 频率的周期就是 1000000ns（注意，在任何的情况下都得保证 period 的值大于等于 duty_cycle 的值）

   echo 1000000 > /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/period

3. 设置占空比（小于等于 period ）

   echo 100000 > /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/duty_cycle
   echo 200000 > /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/duty_cycle
   echo 300000 > /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/duty_cycle
   echo 400000 > /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/duty_cycle
   echo 500000 > /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/duty_cycle
   echo 600000 > /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/duty_cycle
   echo 700000 > /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/duty_cycle
   echo 800000 > /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/duty_cycle
   echo 900000 > /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/duty_cycle
   echo 1000000 > /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/duty_cycle
   echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/duty_cycle

4. 设置PWM极性正常或翻转

   echo "normal" > /sys/class/pwm/pwmchip1/pwm0/polarity
   echo "inversed" > /sys/class/pwm/pwmchip1/pwm0/polarity

5. 使能和关闭PWM

   echo 1 > /sys/class/pwm/pwmchip1/pwm0/enable
   echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip1/pwm0/enable

6. 取消导出PWM到用户空间

   echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip10/unexport

3.控制PWM（Python程序）

在前文中，我们演示了使用 echo 命令修改设备文件，以达到控制设备的目的。接下来，我们将使用 Python 程序实现 PWM 的控制。

3.1 示例程序

通过以下程序，可以实现控制PWM10输出。

from periphery import PWM
import time

pwm = PWM(10, 0)  

try:
    pwm.frequency = 1000
    pwm.duty_cycle = 0
    pwm.polarity = "normal"
    pwm.enable()

    direction = 1  

    while True:
        pwm.duty_cycle += 0.01 * direction
        pwm.duty_cycle = round(pwm.duty_cycle, 2)
        if pwm.duty_cycle == 1.0:
            direction = -1
        elif pwm.duty_cycle == 0.0:
            direction = 1
            
        time.sleep(0.05) 

except KeyboardInterrupt:
    pass

finally:
    pwm.close()

3.2 打开PWM设备

此代码段使用 periphery 库中的 PWM 类创建了一个 PWM 对象。在这个例子中，PWM 对象被初始化为 PWM10 。

pwm = PWM(10, 0)

3.3 配置PWM

在这个代码段中，配置了先前创建的 PWM 对象的一些属性。设置了 PWM 的频率为 1000 Hz，极性为正常（"normal"），并将占空比初始化为 0。

pwm.frequency = 1000
pwm.duty_cycle = 0
pwm.polarity = "normal"

3.4 PWM输出

这个代码段实现了一个简单的 PWM 输出。通过循环不断调整 PWM 的占空比，以实现呼吸灯效果。pwm.duty_cycle 每次增加 0.01（可以根据需要调整），并使用 round 函数将其保留两位小数。在达到最大或最小值时，反转方向。并在每次更新 PWM 值后，通过 time.sleep 控制呼吸灯的速度。

while True:
    pwm.duty_cycle += 0.01 * direction
    pwm.duty_cycle = round(pwm.duty_cycle, 2)
    if pwm.duty_cycle == 1.0:
        direction = -1
    elif pwm.duty_cycle == 0.0:
        direction = 1

    print(pwm.duty_cycle)
    time.sleep(0.05)  

3.5 运行程序

1. 使用 nano 工具在终端创建 py 文件，粘贴并保存 python 程序

   # nano pwm.py

2. 运行程序

   # python3 pwm.py

3. 实验现象

   控制PWM10输出，实现呼吸灯
   

4.控制PWM（C程序）

在前文中，我们演示了如何使用 echo 命令和 Python 程序控制 PWM。实际上也可以使用 vi 编辑器对文件进行修改，修改时需注意用户权限。此外，我们还可以使用C库函数或系统调用来读写设备文件，以达到控制设备的目的。请注意，为了在特定的嵌入式系统上运行程序，通常需要使用交叉编译工具来编译代码，以生成可在目标开发板上执行的可执行文件。接下来，让我们一起探讨具体的实施步骤。

4.1 示例程序

通过以下程序，可以实现控制PWM10输出。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define PWM_PATH "/sys/class/pwm/pwmchip10"
#define PERIOD_NS 1000000
#define MIN_DUTY_CYCLE_NS 0
#define MAX_DUTY_CYCLE_NS 1000000

int main() {
    FILE *pwm_export = fopen(PWM_PATH "/export", "w");
    if (!pwm_export) {
        perror("Failed to open PWM export");
        return 1;
    }
    fprintf(pwm_export, "0");
    fclose(pwm_export);

    FILE *period_file = fopen(PWM_PATH "/pwm0/period", "w");
    if (!period_file) {
        perror("Failed to open PWM period");
        return 1;
    }
    fprintf(period_file, "%d", PERIOD_NS);
    fclose(period_file);

    FILE *enable_file = fopen(PWM_PATH "/pwm0/enable", "w");
    if (!enable_file) {
        perror("Failed to open PWM enable");
        return 1;
    }
    fprintf(enable_file, "1");
    fclose(enable_file);

    int direction = 1; 
    int duty_cycle_ns = 0;

    while (1) {
        duty_cycle_ns += 10000 * direction;
        if(duty_cycle_ns == MAX_DUTY_CYCLE_NS)
            direction = -1;
        else if(duty_cycle_ns == MIN_DUTY_CYCLE_NS)
            direction = 1; 

        FILE *duty_cycle_file = fopen(PWM_PATH "/pwm0/duty_cycle", "w");
        if (!duty_cycle_file) {
            perror("Failed to open PWM duty cycle");
            return 1;
        }
        fprintf(duty_cycle_file, "%d", duty_cycle_ns);
        fclose(duty_cycle_file);

        usleep(50000); 
    }

    FILE *pwm_unexport = fopen(PWM_PATH "/unexport", "w");
    if (!pwm_unexport) {
        perror("Failed to open PWM unexport");
        return 1;
    }
    fprintf(pwm_unexport, "0");
    fclose(pwm_unexport);

    return 0;
}

4.2 导出PWM通道到用户空间

这段代码通过向 /sys/class/pwm/pwmchip10/export 写入设备索引（通常为0），以导出指定的PWM通道供用户空间控制。

FILE *pwm_export = fopen(PWM_PATH "/export", "w");
if (!pwm_export) {
    perror("Failed to open PWM export");
    return 1;
}
fprintf(pwm_export, "0");
fclose(pwm_export);

4.3 设置PWM周期

这段代码通过向 /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/period 写入周期值 “1000000”（以纳秒为单位），以设置PWM的周期为1KHZ。

FILE *period_file = fopen(PWM_PATH "/pwm0/period", "w");
if (!period_file) {
    perror("Failed to open PWM period");
    return 1;
}
fprintf(period_file, "%d", PERIOD_NS);
fclose(period_file);

4.4 使能PWM

这段代码通过向 /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/enable 文件写入值"1"，以启用PWM信号的输出。

FILE *enable_file = fopen(PWM_PATH "/pwm0/enable", "w");
if (!enable_file) {
    perror("Failed to open PWM enable");
    return 1;
}
fprintf(enable_file, "1");
fclose(enable_file);

4.5 使用PWM实现呼吸灯

这段代码打开 /sys/class/pwm/pwmchip10/pwm0/duty_cycle 文件，并且通过不断改变 duty_cycle_ns 变量的值，实现了PWM占空比从0%逐渐增加到100%，然后再从100%逐渐减小到0%的呼吸灯效果。duty_cycle_ns 的变化在0到1000000之间，以控制占空比的变化。当占空比达到最小值或最大值时，它会反转方向，以实现往复运动。此外，usleep(50000) 函数用于控制呼吸灯的速度，您可以根据需要调整此值以改变呼吸速度。

int direction = 1; 
int duty_cycle_ns = 0;

while (1) {
    duty_cycle_ns += 10000 * direction;
    if(duty_cycle_ns == MAX_DUTY_CYCLE_NS)
        direction = -1;
    else if(duty_cycle_ns == MIN_DUTY_CYCLE_NS)
        direction = 1; 

    FILE *duty_cycle_file = fopen(PWM_PATH "/pwm0/duty_cycle", "w");
    if (!duty_cycle_file) {
        perror("Failed to open PWM duty cycle");
        return 1;
    }
    fprintf(duty_cycle_file, "%d", duty_cycle_ns);
    fclose(duty_cycle_file);

    usleep(50000); 
}

4.6 取消导出PWM通道到用户空间

这段代码通过向 /sys/class/pwm/pwmchip10/unexport 写入设备索引，取消导出指定的PWM通道到用户空间。

FILE *pwm_unexport = fopen(PWM_PATH "/unexport", "w");
if (!pwm_unexport) {
    perror("Failed to open PWM unexport");
    return 1;
}
fprintf(pwm_unexport, "0");
fclose(pwm_unexport);

4.7 交叉编译

1. 指定交叉编译工具

   首先，我们要将交叉编译工具的路径添加到系统的 PATH 环境变量中，以便可以在任何地方使用交叉编译工具，您可以在shell配置文件中添加以下行（通常是 ~/.bashrc 或 ~/.bash_profile 或 ~/.zshrc，具体取决于您使用的shell），注意 PATH= 后的路径为交叉编译工具所在的目录。

   • gcc路径

     <SDK Directory>/tools/linux/toolchain/arm-rockchip830-linux-uclibcgnueabihf/bin/arm-rockchip830-linux-uclibcgnueabihf-gcc

   • 打开shell配置文件

     vi ~/.bashrc 

   • 将交叉编译工具的路径添加到系统的PATH环境变量中，将 <SDK Directory> 修改为自己的 SDK 路径，如 /home/luckfox/luckfox-pico/

     export PATH=<SDK Directory>/tools/linux/toolchain/arm-rockchip830-linux-uclibcgnueabihf/bin:$PATH

   • 重新加载shell配置文件，使更改生效

     source ~/.bashrc  

2. 使用交叉编译工具编译程序

   arm-rockchip830-linux-uclibcgnueabihf-gcc pwm.c -o pwm

3. 交叉编译成功后，将在当前目录下生成可在开发板运行的可执行文件

   #ls
   pwm  pwm.c

4.8 运行程序

1. 文件传输

   先将 pwm 从虚拟机传输到 Windows，再通过 TFTP 或 ADB 传输到开发板，将文件从 Windows 通过 ADB 将文件传输到开发板的步骤如下：

   adb push 文件所在路径 开发板存储路径
   
   eg:(将当前目录下pwm文件传输到开发板的根目录)
   adb push pwm / 

2. 运行程序

   修改 pwm 文件的操作权限后运行程序

   # chmod 777 pwm
   # ./pwm

3. 实验现象

   控制PWM10输出，实现呼吸灯
   

5.修改设备树

程序中的 PWM10_M1 在所有型号的开发板都是默认开启的，可以直接使用。接下来，我们一起看看如果需要开启其他的 PWM 该如何操作。

5.1 修改设备树文件

1. 设备树文件路径

   • 开发板配置文件

     在 <SDK目录>/project/cfg/BoardConfig_IPC/ 目录下有不同型号开发板的配置文件，这些文件主要包含了针对 Luckfox Pico 不同型号开发板的配置参数，涵盖了目标架构、启动介质、Uboot和内核配置、分区设置等多方面的内容。SDK目录结构如下：
     

     ├── build.sh -> project/build.sh ---- SDK编译脚本
     ├── media --------------------------- 多媒体编解码、ISP等算法相关（可独立SDK编译）
     ├── sysdrv -------------------------- U-Boot、kernel、rootfs目录（可独立SDK编译）
     ├── project ------------------------- 参考应用、编译配置以及脚本目录
     │   ├── cfg
     │       ├── BoardConfig_IPC
     │           ├── BoardConfig-EMMC-NONE-RV1103_Luckfox_Pico-IPC.mk            
     │           ├── BoardConfig-EMMC-NONE-RV1103_Luckfox_Pico_Mini_A-IPC.mk      
     │           ├── BoardConfig-SPI_NAND-NONE-RV1103_Luckfox_Pico_Mini_B-IPC.mk  
     │           ├── BoardConfig-SPI_NAND-NONE-RV1103_Luckfox_Pico_Plus-IPC.mk    
     │           ├── BoardConfig-SPI_NAND-NONE-RV1106_Luckfox_Pico_Pro_Max-IPC.mk 
     │           └── ...
     ├── output -------------------------- SDK编译后镜像文件存放目录
     ├── docs ---------------------------- SDK文档目录
     └── tools --------------------------- 烧录镜像打包工具以及烧录工具

     其中，RK_KERNEL_DTS 指定了内核的设备树文件。我们以 Luckfox Pico 为例，打开 BoardConfig-EMMC-NONE-RV1103_Luckfox_Pico-IPC.mk 文件，可以看到 RK_KERNEL_DTS 指向的文件为 rv1103g-luckfox-pico.dts
     

   • 设备树文件路径

     根据RK_KERNEL_DTS，可以确定 Luckfox Pico 的设备树文件路径如下：

     <SDK目录>/sysdrv/source/kernel/arch/arm/boot/dts/rv1103g-luckfox-pico.dts

2. 开启PWM0_M0

   在设备树中，开启PWM0_M0的代码片段如下所示
   

3. 开启PWM0_M1

   如果我们想要使用 PWM0_M1 进行输出，首先我们需要取消注释 PWM0_M1 的配置语句（请查看第201行代码）
   

   根据接口图可知，PWM0_M1(GPIO1_D2_d) 默认功能为 I2C3 功能，所以我们需要在设备树中注释 I2C3 的代码片段
   

5.2 编译内核

1. 编译选择分支，分别是指定 LuckFox Pico 、LuckFox Pico Mini A 、LuckFox Pico Mini B、LuckFox Pico Plus 和 LuckFox Pico Pro/Max

   luckfox@luckfox:~/luckfox-pico$ ./build.sh lunch
   ls: cannot access 'BoardConfig*.mk': No such file or directory
   
   You're building on Linux
   Lunch menu...pick a combo:
   
   BoardConfig-*.mk naming rules:
   BoardConfig-"启动介质"-"电源方案"-"硬件版本"-"应用场景".mk
   BoardConfig-"boot medium"-"power solution"-"hardware version"-"applicaton".mk
   
   ----------------------------------------------------------------
   0. BoardConfig_IPC/BoardConfig-EMMC-NONE-RV1103_Luckfox_Pico-IPC.mk
                                boot medium(启动介质): EMMC
                             power solution(电源方案): NONE
                           hardware version(硬件版本): RV1103_Luckfox_Pico
                                 applicaton(应用场景): IPC
   ----------------------------------------------------------------
   
   ----------------------------------------------------------------
   1. BoardConfig_IPC/BoardConfig-EMMC-NONE-RV1103_Luckfox_Pico_Mini_A-IPC.mk
                                boot medium(启动介质): EMMC
                             power solution(电源方案): NONE
                           hardware version(硬件版本): RV1103_Luckfox_Pico_Mini_A
                                 applicaton(应用场景): IPC
   ----------------------------------------------------------------
   
   ----------------------------------------------------------------
   2. BoardConfig_IPC/BoardConfig-SPI_NAND-NONE-RV1103_Luckfox_Pico_Mini_B-IPC.mk
                                boot medium(启动介质): SPI_NAND
                             power solution(电源方案): NONE
                           hardware version(硬件版本): RV1103_Luckfox_Pico_Mini_B
                                 applicaton(应用场景): IPC
   ----------------------------------------------------------------
   
   ----------------------------------------------------------------
   3. BoardConfig_IPC/BoardConfig-SPI_NAND-NONE-RV1103_Luckfox_Pico_Plus-IPC.mk
                                boot medium(启动介质): SPI_NAND
                             power solution(电源方案): NONE
                           hardware version(硬件版本): RV1103_Luckfox_Pico_Plus
                                 applicaton(应用场景): IPC
   ----------------------------------------------------------------
   
   ----------------------------------------------------------------
   4. BoardConfig_IPC/BoardConfig-SPI_NAND-NONE-RV1106_Luckfox_Pico_Pro_Max-IPC.mk
                                boot medium(启动介质): SPI_NAND
                             power solution(电源方案): NONE
                           hardware version(硬件版本): RV1106_Luckfox_Pico_Pro_Max
                                 applicaton(应用场景): IPC
   ----------------------------------------------------------------
   
   Which would you like? [0]: 0
   [build.sh:info] switching to board: /home/luckfox/luckfox-pico/project/cfg/BoardConfig_IPC/BoardConfig-EMMC-NONE-RV1103_Luckfox_Pico-IPC.mk
   [build.sh:info] Running build_select_board succeeded.

2. 重新编译内核

   luckfox@luckfox:~/Luckfox-Pico/luckfox-pico$ ./build.sh kernel

5.3 重新烧录固件

1. 内核编译成功后生成的文件在 <SDK目录>output/image 目录下
   
2. 替换原固件中的 boot.image 与 env.txt 文件
   
3. 重新创建SD（Luckfox Pico Plus 可只修改相应的分区）