本文隸屬於AVR單片機教程系列。
PWM
兩位數碼管的驅動方式是動態掃描，每一位都只有50%的時間是亮的，我們稱這個數值為其占空比。讓引腳輸出高電平點亮LED，占空比就是100%。
在驅動數碼管時，我們迫不得已使占空比為50%，因為不能讓兩位真正同時地顯示不同的數字。但是，我們也可以有意地讓LED的占空比不到100%，以降低其亮度。
占空比是可以用程序來調節的。下面的程序允許用戶用按鍵調整藍色LED的占空比，並通過數碼管來顯示。
#include <ee1/ee.h>
#define DUTY_MAX 9
int main()
{
led_init();
button_init(PIN_NULL, PIN_NULL);
segment_init(PIN_NULL, PIN_8);
uint8_t duty = 0;
while (1)
{
if (button_pressed(BUTTON_0) && duty > 0)
--duty;
if (button_pressed(BUTTON_1) && duty < DUTY_MAX)
++duty;
segment_dec(duty);
segment_display(SEGMENT_DIGIT_R);
for (uint8_t i = 0; i != DUTY_MAX; ++i)
{
if (i < duty)
led_set(LED_BLUE, true);
else
led_set(LED_BLUE, false);
delay(1);
}
}
}
duty是一個整數，取值范圍為0到9，分別表示LED的占空比為0/9到9/9。比如，當占空比為4/9時，在9毫秒的周期中，前4毫秒LED亮，后5毫秒LED不亮。
可以看見，占空比越大，LED亮度也越高。原來，在亮與暗之間，LED還有中間的狀態。我們不是通過讓引腳輸出一個0V和5V之間的電壓，而是讓引腳電平迅速地在高低之間變化來實現的。
這種通過電平的快速跳變來實現模擬量效果的技術，稱為脈沖寬度調制，簡稱PWM。
定時器
大多數單片機的定時器都可以輸出PWM波，外設豐富的AVR單片機自然不例外。上一講提到定時器0有四種工作模式，后兩種就是快速PWM模式與相位修正PWM模式。
在快速PWM模式中，TCNT0寄存器的動作與普通模式相同，但還可以把OCR0A作為上限。對於非反轉輸出，TCNT0達到上限並清零后，引腳會輸出高電平；而當TCNT0與OCR0A或OCR0B匹配時，OC0A和OC0B會分別輸出低電平；對於反轉輸出，前者為低，后者為高。一般使用非反轉，輸出PWM波的頻率為\(f_{CPU} / 256N\)（對於上限為255的情況；\(N\)為分頻系數），占空比為\((OCR0x + 1) / 256\)。由於占空比分母256為2的8次方，這個PWM輸出是8位分辨率的。
相位修正PWM主要用於電機控制等對PWM波的形狀要求比較嚴格的場合，這里不細講。定時器1有更多工作模式，定時器2的時鍾系統更為豐富，你可以在數據手冊中一探究竟。
庫
在占空比公式\((OCR0x + 1) / 256\)中，OCR0x可以取0到255的值，因此占空比可以達到1，PWM模式下LED可達最大亮度；占空比不能達到0，因此用PWM控制的LED不能全暗。這有點麻煩，必須關掉PWM才能使LED暗，而不僅僅是往OCR0x中寫入一個值了。為了日后使用方便，我們用函數把寄存器操作包裝起來（整個庫都在做這件事）。
在Atmel Studio中，靜態庫與可執行程序都屬於project，可以並列存在於solution中。在上面軟件PWM的程序所屬的solution中，點擊菜單欄File->New->Project（或Ctrl+Shift+N），選擇“GCC C Static Library Project”，命名為“pwm”，在“Solution:”中選擇“Add to solution”，“OK”后選擇MCU型號，靜態庫項目就創建好了，默認帶有一個library.c文件。
在“Solution Explorer”中，將library.c重命名為oc0a.c。選中“pwm”項目，右鍵->Add->New Item或菜單欄->Project->Add New Item或Ctrl+Shift+A，選擇“Include File”，命名為oc0a.h（通常取相同的名字，但不是必須的）。
這個庫需要提供兩個函數：oc0a_init用於將OC0A引腳配置為PWM輸出，oc0a_pwm設置輸出PWM占空比，參數為一個無符號8位整數。
// oc0a.h
#ifndef OC0A_H
#define OC0A_H
#include <stdint.h>
/*
* 函數：oc0a_init
* 參數：無
* 返回：void
* 功能：將OC0A引腳配置為PWM輸出，占空比為0。
*/
void oc0a_init();
/*
* 函數：oc0a_pwm
* 參數：uint8_t _duty - 占空比的整數表示
* 返回：void
* 功能：將OC0A引腳輸出PWM波的占空比設置為(_duty / 256)。
*/
void oc0a_pwm(uint8_t _duty);
#endif
在頭文件oc0a.h中，我們定義了這兩個函數，並以注釋形式提供了說明，包括參數、返回值與功能。
然后，在oc0a.c中提供這些函數的實現。
// oc0a.c
#include "oc0a.h"
#include <avr/io.h>
void oc0a_init()
{
PORTB &= ~(1 << PORTB3); // PB3 low level
DDRB |= 1 << DDB3; // PB3 output mode
TCCR0A = 0b00 << COM0A0 // normal port operation
| 0b11 << WGM00; // fast PWM mode
TCCR0B = 0b0 << WGM02 // fast PWM mode
| 0b010 << CS00; // divide by 8
}
void oc0a_pwm(uint8_t _duty)
{
#define COMA_MASK (~(0b11 << COM0A0)) // mask for COMnA bits
if (_duty) // fast PWM mode
TCCR0A = (TCCR0A & COMA_MASK) // protect other bits
| 0b10 << COM0A0, // non-inverting mode
OCR0A = _duty - 1; // duty = (OCRnx + 1) / 256
else // turn PWM off
PORTB &= ~(1 << PORTB3); // PB3 low level
TCCR0A = (TCCR0A & COMA_MASK) // protect other bits
| 0b00 << COM0A0; // normal port operation
}
實現文件應該首先包含對應的頭文件，以確保函數接口一致。
作為底層操作的封裝，這些函數中涉及到很多寄存器。對寄存器的操作沒有寫成直接用一個數字來賦值，而是由多種位運算組合起來，這是單片機編程特有的。比如，PORTB3宏定義在<avr/io.h>中，值為3，意義為PORTB的第3位（最低位為第0位）控制PB3引腳；1 << PORTB3生成一個這一位為1，其余位為0的數；對它取~，得到只有這一位為0，其余位為1的數；讓PORTB與這個數進行&=運算，可以保持其他位不變而這一位變成0，這是因為0與一位“與”的結果是0，而1與一位“與”的結果就是那位的值。再比如，COM0A0為6，0b00 << COM0A0把COM0A1:0兩位填00，同理0b11 << WGM00把WGM1:0填11，兩數|運算，就把TCCR0A中的這兩段同時填好了（參考數據手冊查看位定義）。
並且，這樣寫是有多種原因的：對於PORTB等寄存器，函數只負責其中的一位，而賦值語句會影響其他位；對於OCR0A等寄存器，代碼中明確寫出每一位的名稱與值，可以增強可讀性。
如果是開源庫，注釋是寫給想深入了解的用戶看的；如果是閉源庫，以頭文件與庫文件的形式發布，注釋是寫給以后的自己看的；總之，需要有注釋。注釋的目的是消除讀者（包括自己）的疑惑。讀者不知道0b010 << CS00的意義，就注明“8分頻”，這是數據手冊寫的；讀者不明白為什么OCR0A的賦值語句中需要-1，就把占空比的公式放上去，其中有+1。
還需要提醒的是，以上代碼的可移植性有些欠缺，因為0b前綴的二進制數是GCC的擴展，不屬於C語言標准。最貼近二進制的標准表示方法是十六進制，但是需要手動地轉換（在0b0000到0b1111和0x0到0xF之間建立映射，就像塗答題卡時的F-AB到K-BD一樣），這也是把寄存器賦值展開寫的理由。
呼吸燈
為了測試這個庫，我們再新建一個項目，這次選擇“GCC C Executable Project”，之后的過程想必你已經做過很多遍了。不同的是引用頭文件的寫法有點變化，之前寫的oc0a.h位於../pwm/目錄下，../意為上級目錄；以及，需要手動添加這個庫，在“Solution Explorer”中該項目的“Libraries”上右鍵，點擊“Add Library”，在“Project Libraries”一頁中勾選“pwm”項目；這樣就可以使用剛才寫的兩個函數了。
我們來實現呼吸燈的效果，即LED從暗慢慢變亮，再變暗，像呼吸一樣。
#include <ee1/delay.h>
#include "../pwm/oc0a.h"
int main()
{
oc0a_init();
int brightness = 0, fadeAmount = 5;
while (1)
{
oc0a_pwm(brightness);
brightness = brightness + fadeAmount;
if (brightness <= 0 || brightness >= 255)
fadeAmount = -fadeAmount;
delay(30);
}
}
把OC0A引腳連接到開發板左側RGBW中任意一個，你就會看到對應的LED有呼吸燈的效果。
RGBW
RGBW代表紅綠藍白。理論上，紅綠藍即可組合出所有顏色，而白色的加入即提供了純正的白光，也能增強整個LED的亮度。
如果你在室內光下觀察上面程序的效果，你會發現，盡管變量brightness，所謂亮度，是隨時間線性變化的，但是視覺效果上，在整個亮起的過程中，明顯是前半段亮度變化快，后面亮度幾乎不變。而如果你用手電筒去照着它然后觀察，就能感受到后半段的亮度變化。這可能是因為人眼對弱光環境下的強光變化不敏感。
rgbw_set函數解決了這個問題。它不是直接把參數轉發給pwm_set，而是用映射后的參數調用；這個映射作為數學上的函數，在x較小時y增長較慢，較大時增長較快，從而抵消人眼的錯覺。
#include <ee1/delay.h>
#include <ee1/rgbw.h>
void init();
void breathe();
void flash();
int main()
{
init();
while (1)
breathe(), flash();
}
void init()
{
rgbw_init(PIN_4, PIN_5, PIN_6, PIN_7);
}
void breathe_phase(uint8_t* _status, int8_t* _alter)
{
for (uint8_t step = 0; step != 200; ++step)
{
for (uint8_t which = 0; which != 4; ++which)
rgbw_set(which, _status[which] += _alter[which]);
delay(5);
}
}
void breathe()
{
uint8_t status[4] = {0, 0, 0, 0};
int8_t pre[4] = {1, 0, 0, 0};
int8_t loop[][4] =
{
{-1, 1, 0, 0},
{0, -1, 1, 0},
{1, 0, -1, 0},
};
int8_t post[4] = {-1, 0, 0, 0};
breathe_phase(status, pre);
for (uint8_t cnt = 2; cnt--;)
for (uint8_t pha = 0; pha != sizeof(loop) / sizeof(*loop); ++pha)
breathe_phase(status, loop[pha]);
breathe_phase(status, post);
}
void flash_phase(bool* _pattern)
{
for (uint8_t which = 0; which != 4; ++which)
rgbw_set(which, _pattern[which] ? 200 : 0);
delay(500);
}
void flash()
{
bool extra[4] = {0, 0, 0, 0};
bool loop[][4] =
{
{1, 0, 0, 0},
{1, 1, 0, 0},
{0, 1, 0, 0},
{0, 1, 1, 0},
{0, 0, 1, 0},
{1, 0, 1, 0},
};
flash_phase(extra);
for (uint8_t cnt = 2; cnt--;)
for (uint8_t pha = 0; pha != sizeof(loop) / sizeof(*loop); ++pha)
flash_phase(loop[pha]);
flash_phase(extra);
}
這段代碼把燈變化的模式用數字表示，而不是用一定參數的函數調用來硬編碼，使程序易於修改與擴展。
作業
-
閱讀數據手冊，實現在
OC1A引腳上輸出12位分辨率的、帶相位與頻率修正的PWM波。注意占空比為0和1的情況。 -
玩玩燈吧！