使用Raspberry Pi进行PWM控制

作者：Cliff Ortmeyer

PWM 概述

PWM 信号是一个方波，用于电子控制系统中，用于控制诸如舵机位置、电机速度和 LED 亮度之类的东西。它基于两个重要参数：频率和占空比。频率是波形在一秒钟内产生的重复周期数。占空比表示信号高与低的时间百分比。得到的波形平均值决定了传递给负载的功率量。

Raspberry Pi 和 Arduino Raspberry Pi 是一款信用卡大小的微型计算机，部分由于其计算能力、尺寸和价格 而引起了相当多的关注。Raspberry Pi 基于 Broadcom BCM2835 嵌入式多媒体应用处理器。它配备了多个连接端口，可以通过插入电视或显示器和 USB 键盘轻松操作。它还与许多操作系统兼容；然而，为 Raspberry Pi 量身定制的 Linux 版本 Raspbian 是最常用的操作系统之一。

Arduino 是一个基于单板微控制器的平台，可为没有经验和有经验的用户提供嵌入式电子设计的简单快速入门。它是一种开源硬件设计，提供模数信号转换功能以及输入和输出控制以及 PWM 信号生成。Arduinos 还通过其板载 I/O 连接和可用的扩展板提供丰富的连接选项。

Raspberry Pi 上的 PWM：控制能力有限

考虑一个涉及构建机器人汽车的任务，您需要通过 Raspberry Pi 控制两个电机，Raspberry Pi 具有 26 个通用输入/输出 （GPIO） 引脚。在这些引脚中，只有一个易于访问的 PWM 输出引脚，它不足以驱动任何需要更多控制的东西，而不仅仅是开/关功能。伺服电机和 RGB LED 不能单独通过该引脚驱动。

增强 Raspberry Pi 的 PWM 功能的策略

已经提出了许多解决方案来克服Raspberry Pi的这一限制。很多人为此目的使用支持 I2C（内部集成电路）或 SPI（串行外设接口）的附件。这些设备由 Raspberry Pi 控制，它们生成 PWM 信号用于控制目的。PWM 发生器附件也可用于将支持 PWM 的输出引脚添加到 Raspberry Pi。

正在使用的另一种方法是在其他支持 GPIO 的引脚上执行软件 PWM。WiringPi 库是一个允许这种类型控制的示例库。它使用实时调度程序通过运行单个线程来优先生成 PWM 信号，但由于 Raspberry Pi 上使用的操作系统执行多任务处理，因此该解决方案不适合，因为它提供低时序分辨率和高抖动。

Arduino：合适的解决

方案 轻松开发 PWM 信号的一种解决方案是使用 Arduino 开发套件。Arduino 板有多种配置。例如，Arduino Due 有 54 个数字引脚（其中 12 个可用于 PWM 输出）和 14 个模拟引脚。有了这么多可配置的 I/O 引脚，Arduino Due 和一般的 Arduino 板是与 Raspberry Pi 接口的外部传感和控制板的理想选择。

通过 USB 连接 Arduino 和 Raspberry Pi

可以通过 匹配 Raspberry Pi 和 Arduino 平台的形式找到具有强大的 PWM 功能和高度可配置的用户界面的解决方案。基于 Arduino 的开发板可以与 Raspberry Pi 连接，以添加 PC 的功能、网络的通信和多媒体工具、通过使用微控制器与环境交互的能力以及移动设备的便携性设备。如前所述，Arduinos 是一个基于微控制器的平台，非常适合为涉及传感和控制的应用程序运行代码。连接 Raspberry Pi 和 Arduino 板的一种非常方便、低成本且可靠的方法是通过USB 电缆。 这是一个方便的解决方案，因为它需要最少数量的硬件。此外，它通常提供具有精确实时响应的电机和电源控制，例如提供高精度和低抖动，这对于许多控制应用很重要。

通过使用每块板上的 USB 接口以及现成的 pySerial 库，可以从 Raspberry Pi 发送命令来控制 Arduino 的多个 I/O。而且，以相反的方式，当 Arduino 读取多种数据类型（如温度、速度或其他需要监控的外部数据）时，串行数据可以从 Arduino 发送回 Pi。