树莓派驱动开发实战04:PWM呼吸灯

本文源码:https://github.com/Philon/rpi-drivers/tree/master/04-pwm_led

如果你对硬件了解不是很深,看了标题可能会一脸懵逼,PWM是什么?别急,在回答这个问题之前,先看看PWM+一个普通的LED灯能实现什么效果:

pwmled.gif

(动图有点大,请稍等…)

从结果来看可能第一反应是这样的,普通的LED灯只能控制开/关,既然PWM可以控制LED的亮和暗,那它应该是一种电压控制器!其实根本不是那么回事,和电压毛关系都没有。它背后的原理恰恰是它最有意思的地方,它的本领可不仅仅是拿来控制个灯的明暗那么low。

PWM基础

PWM——脉冲宽度调制,顾名思义,就是一个脉冲信号输出源,且方波的周期(period)以及高电平持续时间(duty)是可调的。从软件角度来看,主要关注两个地方:

  • period,脉冲周期,就是发送一次1和0交替的完整时间
  • duty,占空比,就是一个脉冲周期内1占了多长时间。

有时候,还需要关注1秒钟发送多少个脉冲信号,即频率,不过对于本文要控制的led灯亮度而言,频率几乎可以忽略。关于PWM原理,如果还是云里雾里,就看一下这个视频介绍,非常简单。

不过先提醒以下,PWM的实际应用非常广,有红外遥控、音频控制、通信等,最常见的要数直流电机控制,以及手机上的背光灯亮度。总之,掌握pwm的原理及应用是灰常有必要滴。

树莓派上的PWM

树莓派上的PWM比较坑,明明很简单的东西我调了两天,网上99%的教程都是各种应用层的脚本或writingPi的函数调用,和Linux内核的边都沾不上,而且其中绝大多数还是相互复制粘贴。所以真正有用的资料寥寥无几,一直卡在pwm_request却获取不到pwm资源,当然最主要原因还是我对技术细节的不理解,好在发现了一个老外的博客:https://jumpnowtek.com/rpi/Using-the-Raspberry-Pi-Hardware-PWM-timers.html

在官方的《BCM2835外围指南》第9章说得很清楚,处理器内部集成了两个独立的PWM控制器,理论上可以达到100MHz的脉冲频率。树莓派扩展接口共有4个GPIO引出PWM,具体为:

PWM通道 GPIO号 物理引脚 复用功能
PWM0 GPIO12 32 Alt Fun 0
PWM1 GPIO13 33 Alt Fun 0
PWM0 GPIO18 12 Alt Fun 5
PWM1 GPIO19 35 Alt Fun 5

第一步,启用pwm(默认情况下未启用)

简而言之,你无法通过Linux内核API获取到PWM资源,因为在树莓派官方的设备树配置(/boot/config.txt)里并没有通知内核要启用pwm。因此第一步自然是让内核支持pwm驱动,使用如下命令:

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# vim打开/boot/config.txt
# 在最后一行加入: dtoverlay=pwm
# 保存退出,重启

philon@rpi:~ $ sudo vim /boot/config.txt
philon@rpi:~ $ sudo reboot

# 重启之后,有两种方式确认pwm已启用
philon@rpi:~ $ lsmod | grep pwm
pwm_bcm2835 16384 1 # 方式1: 加载了官方pwm驱动

philon@rpi:~ $ ls /sys/class/pwm/
pwmchip0 # 方式2: sysfs里可以看到pwmchip0目录

第二步,搭建硬件环境

非常简单,LED的正极拉到一个PWM通道,负极随便找一个GND接上。

PWMLED接线图

如图所示,将三色LED的绿灯脚接到GPIO18,也就是PWM0通道,再随便找一个GND接上即可,和第一章的点亮一个LED一样,关键看软件如何操作了。

PWMLED原理图

使用命令行控制PWM

根据之前的硬件接线,LED与树莓派的PWM0通道相连,所以使能pwm0即可点亮led,大体步骤为:

  1. 请求pwm0资源
  2. 设置脉冲周期
  3. 设置占空比
  4. 打开pwm0

命令行控制pwm其实和gpio大同小异,都是通过sysfs这个虚拟文件系统完成的。

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philon@rpi:~ $ cd /sys/class/pwm/pwmchip0/    # 进入pwm资源目录

philon@rpi:~ $ echo 0 > export # 加载pwm0资源
philon@rpi:~ $ echo 10000000 > pwm0/period # 设置脉冲周期为10ms(100Hz)
philon@rpi:~ $ echo 8000000 > pwm0/duty_cycle # 设置占空比为8ms
philon@rpi:~ $ echo 1 > pwm0/enable # 开始输出

# 可以自行调整脉冲周期和占空比,得到不同的亮度
# 如果玩够了,记得释放资源
philon@rpi:~ $ echo 0 > pwm0/enable # 关闭输出
philon@rpi:~ $ echo 0 > unexport # 卸载pwm0资源

经过上面这番犀利操作,只要你够虔诚,就会看见一束绿光闯入你的眼里,心里,脑海里。

Linux驱动控制PWM

在实现pwm调光led之前,需要先交代清楚:

由于本驱动仅仅是调节led的亮度,关于pwm的占空比脉冲周期两个参数,其实只调节占空比就够了。你想一下,脉冲周期长短,无非就是led闪烁频率,只要人眼看着不闪,再快有个毛用。因此本驱动将脉冲周期固定为1ms,即1KHz,而占空比的取值为0~1000us,说白了,就是led从最暗到最亮一共分为一千个档位。

内核为pwm提供了标准的API接口,需要掌握这几个:

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// PWM channel object
struct pwm_device {
trueconst char *label; // name of the PWM device
trueunsigned long flags; // flags associated with the PWM device
trueunsigned int hwpwm; // per-chip relative index of the PWM device
trueunsigned int pwm; // global index of the PWM device
truestruct pwm_chip *chip; // PWM chip providing this PWM device
truevoid *chip_data; // chip-private data associated with the PWM device
truestruct pwm_args args; // PWM arguments
truestruct pwm_state state; // curent PWM channel state
};

/**
* 通过pwm通道号获取pwm通道对象
* @pwm_id 通道号
* @label pwm通道别名
*/
struct pwm_device *pwm_request(int pwm_id, const char *label);

/**
* 释放pwm通道对象
*/
void pwm_free(struct pwm_device *pwm);

/**
* 设置pwm通道的相关参数
* @duty_ns 以纳秒为单位的占空比
* @period_ns 以纳秒为单位的脉冲周期
*/
int pwm_config(struct pwm_device *pwm, int duty_ns, int period_ns)

/**
* 打开pwm通道,开始输出脉冲
*/
int pwm_enable(struct pwm_device *pwm)

/**
* 关闭pwm通道,停止输出脉冲
*/
void pwm_disable(struct pwm_device *pwm)

接着,实现pwmled的驱动吧:

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/********************* pwmled.h *********************/

#define PWMLED_MAX_BRIGHTNESS 1000

typedef enum {
PWMLED_CMD_SET_BRIGHTNESS = 0x1,
PWMLED_CMD_GET_BRIGHTNESS,
} pwmled_cmd_t;

/********************* pwmled.c *********************/

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/pwm.h>

#include "pwmled.h"

MODULE_LICENSE("Dual MIT/GPL");
MODULE_AUTHOR("Phlon | https://ixx.life");

#define PWMLED_PERIOD 1000000 // 脉冲周期固定为1ms

static struct {
struct pwm_device* pwm;
unsigned int brightness;
} pwmled;

long pwmled_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
switch (cmd) {
case PWMLED_CMD_SET_BRIGHTNESS:
// 所谓调节亮度,就是配置占空比,然后使能pwm0
pwmled.brightness = arg < PWMLED_MAX_BRIGHTNESS ? arg : PWMLED_MAX_BRIGHTNESS;
pwm_config(pwmled.pwm, pwmled.brightness * 1000, PWMLED_PERIOD);
if (pwmled.brightness > 0) {
pwm_enable(pwmled.pwm);
} else {
pwm_disable(pwmled.pwm);
}
case PWMLED_CMD_GET_BRIGHTNESS:
return pwmled.brightness;
default:
return -EINVAL;
}

return pwmled.brightness;
}

static struct file_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.unlocked_ioctl = pwmled_ioctl,
};

static struct miscdevice dev = {
.minor = 0,
.name = "pwmled",
.fops = &fops,
.nodename = "pwmled",
.mode = 0666,
};

int __init pwmled_init(void) {
// 请求PWM0通道
struct pwm_device* pwm = pwm_request(0, "pwm0");
if (IS_ERR_OR_NULL(pwm)) {
printk(KERN_ERR "failed to request pwm\n");
return PTR_ERR(pwm);
}

pwmled.pwm = pwm;
pwmled.brightness = 0;

misc_register(&dev);

return 0;
}
module_init(pwmled_init);

void __exit pwmled_exit(void) {
misc_deregister(&dev);
// 停止并释放PWM0通道
pwm_disable(pwmled.pwm);
pwm_free(pwmled.pwm);
}
module_exit(pwmled_exit);

该驱动会自动创建/dev/pwmled设备节点,然后应用层通过ioctl即可设置和获取灯的亮度等级。

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int main(int argc, char* argv[]) {
int fd = open("/dev/pwmled", O_RDWR);
int brightness = 0;
char key = 0;

while ((key = getchar()) != 'q') {
switch (key) {
case '=':
brightness += brightness < PWMLED_MAX_BRIGHTNESS ? 10 : 0;
break;
case '-':
brightness -= brightness > 0 ? 10 : 0;
break;
}

if (ioctl(fd, PWMLED_CMD_SET_BRIGHTNESS, brightness) < 0) {
perror("ioctl");
break;
}
}

close(fd);
return 0;
}

正如本文开头那张动图一样,用户只需要按+/-即可调节led的亮度,so easy~

小结

  • PWM即脉冲宽度调制,可以实时改变脉冲源的占空比和周期时长
  • 树莓派Linux内核默认不加载pwm通道,需要在/boot/config.txt中增加一行dtoverlay=pwm
  • pwm可以像gpio一样通过命令行对sysfs虚拟文件系统操作,即可控制pwm资源
  • 内核提供了标准的pwm接口,注意通道值的配置是以纳秒为单位
  • pwm技术应用范围非常广,务必牢牢掌握
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