如何利用PWM調(diào)光原理實現(xiàn)三基色燈的各種閃亮效果

前段時間使用STM8S003F3實現(xiàn)了一個三基色燈的各種效果，故寫一篇文章作為一個記錄。

1 綜述

我們知道，要是的LED燈亮直接通電即可。而要改變燈的亮度，我們有兩種方法：改變電流和PWM調(diào)光。

我們首先想到的就是改變它的驅(qū)動電流，因為LED的亮度是幾乎和它的電流直接成正比關(guān)系。然而用調(diào)正向電流的方法來調(diào)節(jié)亮度會產(chǎn)生一個問題：在調(diào)亮度的同時也會改變它的光譜和色溫，這樣就會會產(chǎn)生色偏。因為目前白光LED都是用藍光LED加黃色熒光粉而產(chǎn)生，當正向電流減小時，藍光LED亮度增加而黃色熒光粉的厚度并沒有按比例減薄，從而使其光譜的主波長增長。這個問題對于一般的照明是沒有問題的，因為色溫的變化量畢竟不是很大。但是對電源來說當電流過小時會產(chǎn)生閃爍，除非電源的恒流范圍很寬，完全可以從0到最大。這樣才沒有問題。簡而言之，電流調(diào)光有色溫變化和電源電流過小產(chǎn)生閃爍的問題。曾經(jīng)做過一個項目，用于某設(shè)備上需要非常非常平穩(wěn)的調(diào)光，顯然電流調(diào)光是無法實現(xiàn)。同時像本文介紹的三基色調(diào)光有顏色要求的顯然也不行。因此我們使用PWM調(diào)光。

既然PWM調(diào)光可以避免上面的兩個問題，為什么不直接都用PWM調(diào)光呢？因為我們畢竟是做產(chǎn)品，要考慮成本問題。使用PWM調(diào)光至少需要一顆能支持PWM的芯片（當然還有外圍電路，但是電流調(diào)光也是有電路的。我們也應(yīng)該知道PWM信號也可以由脈沖發(fā)生器提供），另外它需要編寫程序。所以只有在需要的場合才使用PWM調(diào)光（使用PWM調(diào)光需要注意的問題是頻率不能太低或者太高，推薦150-400Hz之間。）。PWM的優(yōu)點如下：

●PWM調(diào)光就不會產(chǎn)生色偏，因為它總是工作在0或者最大兩種狀態(tài)。

●PWM的占空比很好控制，而且精度高

●對電源沒有影響，因為不會改變電源的工作條件，只是給電源開或者關(guān)。

2 PWM波調(diào)光的原理

脈寬調(diào)制（PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換及LED照明等許多領(lǐng)域中。通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。簡言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

2.1 占空比（Duty Cycle or Duty Ratio）

首先我們需要了解占空比，占空比的解釋可以歸納為如下幾種：

●在一串理想的脈沖序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。例如：脈沖寬度1μs，信號周期4μs的脈沖序列占空比為0.25。

●在一段連續(xù)工作時間內(nèi)脈沖占用的時間與總時間的比值。

●在周期型的現(xiàn)象中，現(xiàn)象發(fā)生的時間與總時間的比。

通俗一點講就是電路釋放能量的有效時間與總釋放時間的比。

2.2 調(diào)光比

然后我們需要了解調(diào)光比，調(diào)光比則是按下面的方法計算（Foper：工作頻率；Fpwm：調(diào)光頻率；）：

調(diào)光比率 = Foper / Fpwm，（其實也就是調(diào)光的最低有效占空比）

比如Foper=100KHZ；Fpwm=200Hz，則調(diào)光比為：100K/200=500；這個指標在很多驅(qū)動芯片的規(guī)格書里會說明的。

2.3 PWM調(diào)光2.3.1 PWM調(diào)光原理

● 若一個占空比為10%的PWM輸出，即10%的時間通，90%的時間斷；

● 若一個占空比為50%的PWM輸出，即50%的時間通，50%的時間斷；

● 若一個占空比為90%的PWM輸出，即90%的時間通，10%的時間斷；

我們知道，人眼是有視覺暫留的，打個比方，人眼只能識別1us（（這個比方?jīng)]有任何科學依據(jù)，僅僅為了便于理解）內(nèi)光子的數(shù)量從而判斷亮暗，如果1us接收了1000個光子，那么我們就會認為是一個亮度，至于這1000個光子是在1us什么時候收到，是沒有任何影響的，也就是說，在0.1us的時候收到和0.2us的時候收到是沒有區(qū)別的，我們需要關(guān)心的只是數(shù)量。這就是為什么我們進行PWM調(diào)光的時候不能太慢（視覺暫留可以分辨）也不能太快（太快就沒有區(qū)別了，就一直是最亮的）。這樣就好理解了，占空比是10%，就相當于給它加了一個0.9V的電壓（因為10%通電時間里電流產(chǎn)生的效果和0.9V加在周內(nèi)的時候是一樣的）。所以我們就可以通過占空比來條件亮度。

如果在50ms中，LED在這段時間中得到9V供電。如果在下一個50ms中將開關(guān)斷開，燈泡得到的供電將為0V。如果在1秒鐘內(nèi)將此過程重復10次，燈泡將會點亮并象連接到了一個4.5V電池（9V的50%）上一樣。這種情況下，占空比為50%，調(diào)制頻率為10Hz（T=1/f = 1/10 = 0.1S ）。大多數(shù)負載（無論是電感性負載還是電容性負載）需要的調(diào)制頻率高于10Hz。設(shè)想一下如果燈泡先接通5秒再斷開5秒，然后再接通、再斷開……。占空比仍然是50%，但燈泡在頭5秒鐘內(nèi)將點亮，在下一個5秒鐘內(nèi)將熄滅。要讓燈泡取得4.5V電壓的供電效果，通斷循環(huán)周期與負載對開關(guān)狀態(tài)變化的響應(yīng)時間相比必須足夠短。要想取得調(diào)光燈（但保持點亮）的效果，必須提高調(diào)制頻率。在其他PWM應(yīng)用場合也有同樣的要求。通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。

通過上面的介紹，我們就知道了PWM調(diào)光的原理，那么我們來看看我們這個項目的原理。

2.3.2 三基色呼吸燈原理

需求說明：我們需要設(shè)置一個燈，它具有常亮、長暗、快閃、慢閃、呼吸5鐘效果，并且要求這幾種狀態(tài)是可以變化的。燈的顏色可以變化。

需求分析：燈的顏色可以變化——確定使用三基色燈。狀態(tài)可以切換，我們使用串口調(diào)節(jié)燈的狀態(tài)和燈的顏色（通過串口給單片機發(fā)送數(shù)據(jù)，然后將參數(shù)傳給燈控制函數(shù)）。我們使用PWM調(diào)節(jié)燈的亮度，通過改變捕獲/比較寄存器的值來改變占空比從而改變亮度。

數(shù)學建模：三個燈和一個燈的控制是一樣的，由于我們使用的是PWM波調(diào)光所以燈只有兩種狀態(tài)：斷和通。我們分析5種狀態(tài)可以抽象成數(shù)學模型：暗、上升、亮、下降4鐘狀態(tài)（長暗就是一直暗，常亮就是一直亮，快閃就是100%占空比而且頻率比較快，慢閃就是100%占空比而且頻率比較慢、呼吸就是占空比最低為10%然后以10%逐漸上升）。然后我們確定需要輸入的變量：Value_LED_Red（紅色燈的亮度）、Value_LED_Green（綠色燈的亮度）、Value_LED_Blue（藍燈的亮度）、Value_ChangeOnce（上升或下降的速度）、HoldTime_Min（在低電平狀態(tài)的持續(xù)時間）、HoldTime_Max（在高電平狀態(tài)的持續(xù)時間）。

3 實現(xiàn)過程

下面是TSSOP20封裝的管腳圖。

首先，我們要確定硬件管腳，但是事實上，因為我用的最多的就是TIM2和TIM4，因此我選用的TIM2_1（PC5，Red）、TIM2_2（PD3，Green）、TIM2_3（PD2，Blue），但是發(fā)現(xiàn)除了綠色以外都無法用PWM波控制，但是能用IO控制亮暗，后來查資料發(fā)現(xiàn)TIM2_1和TIM2_3早使用的時候必須給存儲器地址分布重映射，也就是我們需要使用管腳的復用功能！我們通過看《數(shù)據(jù)手冊》發(fā)現(xiàn)，使用TIM2只有一個管腳是復用功能，因此選擇TIM2。但是我因為電路限制，所以還是用的上面所說的管腳（注意，TIM2_3有復用和不復用兩種，我用的是復用）。這也沒有什么影響，我們可以學習一下管腳的復用功能。

3.1 使用復用功能

我們首先看《數(shù)據(jù)手冊》中關(guān)于管腳的描述（第一行是TSSOP20封裝的管腳編號，第二行是UFQFPN20封裝的管腳b）

從上面的圖中我們可以看到，需要使用15、19管腳復用功能就需要設(shè)置AFR0和AFR1——使用復用功能就是設(shè)置AFR（Alternate function remapping bits，候補功能映射位）——我們繼續(xù)看芯片資料

其中OPT2【選項字節(jié)（Option byte）編程 】和NOPT2需要是相反的（可能是出于校驗考慮），我們從《數(shù)據(jù)手冊》中可以知道： 應(yīng)用程序可直接向目標地址進行寫操作。所以我們直接對這兩個地址進行寫操作，那么數(shù)值是多少呢？我們繼續(xù)看《數(shù)據(jù)手冊》，如下圖所示

從上圖中我們可以看到，我們將AFR1設(shè)置為1，將AFR0設(shè)置成1。代碼如下：

/***************************************************************

*Function:FLASH_Init

*Calls:void

*CalledBy:All_Config.c

*Input:void

*OUTPUT:void

*Return:void

*DESCRIPTION:1.設(shè)置管腳復用功能（AFR0要設(shè)置為1AFR1要設(shè)置為1）

2.eeprom每一次只能操作一個字節(jié)

*Others:nothing

volatile unsigned char flash_OPT2 @0x4803;
責任編輯；zl