使用Raspberry Pi進(jìn)行PWM控制

脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 是一種廣泛用于控制功率的調(diào)制技術(shù)。它通常用于電機(jī)控制應(yīng)用中以控制電機(jī)的速度。Raspberry Pi 等單板計(jì)算機(jī) （SBC） 可用于生成用于電機(jī)速度控制的 PWM 信號，但有一個限制：Raspberry Pi 上只有一個 PWM 硬件引腳可用。然而，使用Arduino 的支持 PWM 的 I/O 引腳，可以找到一種可行的解決方案，不僅適用于一個，而且適用于多個 PWM 輸出。

PWM 概述

PWM 信號是一個方波，用于電子控制系統(tǒng)中，用于控制諸如舵機(jī)位置、電機(jī)速度和 LED 亮度之類的東西。它基于兩個重要參數(shù)：頻率和占空比。頻率是波形在一秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的重復(fù)周期數(shù)。占空比表示信號高與低的時間百分比。得到的波形平均值決定了傳遞給負(fù)載的功率量。

Raspberry Pi 和 Arduino Raspberry Pi 是一款信用卡大小的微型計(jì)算機(jī)

，部分由于其計(jì)算能力、尺寸和價(jià)格 而引起了相當(dāng)多的關(guān)注。Raspberry Pi 基于 Broadcom BCM2835 嵌入式多媒體應(yīng)用處理器。它配備了多個連接端口，可以通過插入電視或顯示器和 USB 鍵盤輕松操作。它還與許多操作系統(tǒng)兼容；然而，為 Raspberry Pi 量身定制的 Linux 版本 Raspbian 是最常用的操作系統(tǒng)之一。

Arduino 是一個基于單板微控制器的平臺，可為沒有經(jīng)驗(yàn)和有經(jīng)驗(yàn)的用戶提供嵌入式電子設(shè)計(jì)的簡單快速入門。它是一種開源硬件設(shè)計(jì)，提供模數(shù)信號轉(zhuǎn)換功能以及輸入和輸出控制以及 PWM 信號生成。Arduinos 還通過其板載 I/O 連接和可用的擴(kuò)展板提供豐富的連接選項(xiàng)。

Raspberry Pi 上的 PWM：控制能力有限

考慮一個涉及構(gòu)建機(jī)器人汽車的任務(wù)，在該任務(wù)中，您需要通過 Raspberry Pi 控制兩個電機(jī)，Raspberry Pi 具有 26 個通用輸入/輸出 （GPIO） 引腳。在這些引腳中，只有一個易于訪問的 PWM 輸出引腳，它不足以驅(qū)動任何需要更多控制的東西，而不僅僅是開/關(guān)功能。伺服電機(jī)和 RGB LED 不能單獨(dú)通過該引腳驅(qū)動。

增強(qiáng) Raspberry Pi 的 PWM 功能的策略

已經(jīng)提出了許多解決方案來克服Raspberry Pi的這一限制。很多人為此目的使用支持 I2C（內(nèi)部集成電路）或 SPI（串行外設(shè)接口）的附件。這些設(shè)備由 Raspberry Pi 控制，它們生成 PWM 信號用于控制目的。PWM 發(fā)生器附件也可用于將支持 PWM 的輸出引腳添加到 Raspberry Pi。

正在使用的另一種方法是在其他支持 GPIO 的引腳上執(zhí)行軟件 PWM。WiringPi 庫是一個允許這種類型控制的示例庫。它使用實(shí)時調(diào)度程序通過運(yùn)行單個線程來優(yōu)先生成 PWM 信號，但由于 Raspberry Pi 上使用的操作系統(tǒng)執(zhí)行多任務(wù)處理，因此該解決方案不適合，因?yàn)樗峁┝说蜁r序分辨率和高抖動。

Arduino：合適的解決

方案 輕松開發(fā) PWM 信號的一種解決方案是使用 Arduino 開發(fā)套件。Arduino 板有多種配置。例如，Arduino Due 有 54 個數(shù)字引腳（其中 12 個可用于 PWM 輸出）和 14 個模擬引腳。有了這么多可配置的 I/O 引腳，Arduino Due 和一般的 Arduino 板是與 Raspberry Pi 接口的外部傳感和控制板的理想選擇。

通過 USB 連接 Arduino 和 Raspberry Pi

可以通過 匹配 Raspberry Pi 和 Arduino 平臺的形式找到具有強(qiáng)大的 PWM 功能和高度可配置的用戶界面的解決方案?；?Arduino 的開發(fā)板可以與 Raspberry Pi 連接，以添加 PC 的功能、網(wǎng)絡(luò)的通信和多媒體工具、通過使用微控制器與環(huán)境交互的能力以及移動設(shè)備的便攜性設(shè)備。如前所述，Arduinos 是一個基于微控制器的平臺，非常適合為涉及傳感和控制的應(yīng)用程序運(yùn)行代碼。連接 Raspberry Pi 和 Arduino 板的一種非常方便、低成本且可靠的方法是通過USB 電纜。 這是一個方便的解決方案，因?yàn)樗枰钌贁?shù)量的硬件。此外，它通常提供具有精確實(shí)時響應(yīng)的電機(jī)和電源控制，例如提供高精度和低抖動，這對于許多控制應(yīng)用很重要。

通過使用每塊板上的 USB 接口以及現(xiàn)成的 pySerial 庫，可以從 Raspberry Pi 發(fā)送命令來控制 Arduino 的多個 I/O。而且，以相反的方式，當(dāng) Arduino 讀取多種數(shù)據(jù)類型（如溫度、速度或其他需要監(jiān)控的外部數(shù)據(jù)）時，串行數(shù)據(jù)可以從 Arduino 發(fā)送回 Pi。

審核編輯：郭婷