讲座视频 - SysTick 计时器 - PWM

大家好， 我是 Jon Valvano。 在本视频中，我们将讨论 脉宽调制，即PWM。 我们将使用该 PWM来控制我们的机器人， 比如控制电机。 在本次实验中，我们将使用 我们在前一个视频中了解到的 SysTick 定时器 来产生波形。 在实验 9 中，我们将使用它来控制 LED 的亮度并设计一个 数模转换器。 但我们需要记住一点：PWM控制技术是在整个嵌入式 系统中使用的非常强大的技术，可以影响很多内容。 让我们开始吧。 在我们开始该脉宽调制介绍之前， 让我们来讨论下响应速度和一个我们用于描述 系统响应速度的有趣方法。 如果我有一个系统， 这里给系统一个输入信号， 我通过给定一个阶跃输入信号， 输入刚开始是一个数字信号，然后它 跃变为另一个数字信号。 系统将对跃变作出响应从而改变输出。 可以通过一个时间常数来表述该时间 响应，该时间常数是用达到 63%最终稳定状态所需的时间来表示。 因此该系统的时间常数，即达到 最终结果63%所需的时间，是一个 能够衡量该系统响应能力、速度的 简单参数。 例如，如果我们对电机感兴趣。 那么，这可能是一个电机，对吧？ 当我们转到实验 12和 13 时，这将是电机。 但在这里，在实验 9 中，我们将讨论 LED，它可以通过该方法进行描述。 我们更改电压。 什么时候会发光？ 它可以在我们的眼睛和大脑中完成，对吧？ 现在，事实证明LED 本身速度很快。 您知道，时间常数 --LED 开启或关闭 实际所需的时间非常短 -- 90 纳秒。 而电机 -- 我们稍后将看到 -- 它非常慢 -- 大约为 100 毫秒。 现在有趣之处在于，我们的大脑、我们的 眼睛、我们的视觉皮质事实上具有非常类似于 电机的时间概念 -- 100 毫秒。 例如，如果一个 LED每 10 毫秒闪烁一次， 人眼不会看到它闪烁 因此，该特定实验的优势之一是我们 将使用我们的LED、眼睛和大脑 作为电机的替代物 因为它使我们能够轻松理解。 那么，再说一次，时间常数是系统 响应阶跃输入信号所需的时间。 对于电机和我们的大脑，时间概念都大约为 100 毫秒。 我们将利用脉宽调制的方法 我将 创建一个波形，并且我设置它 快于该时间常数 我们通过我们的眼睛能够分辨出电机的 100 毫秒响应过程。 我们将每 10 毫秒执行它一次。 我要通过软件执行的是， 以数字方式把输出设置为 高电平，等待这么长的时间，再把它设置为低电平。 等待这么长的时间，把它设置为高电平，低电平，高电平，低电平。 我设定该波形的 周期为固定的。 但高电平的时间是可变的。 这是脉宽调制的另一个名称， 即可变占空比。 占空比定义为， 高电平的 时间与周期的比率。 再说一次，如果我选择的周期小于 系统的时间常数，那么 系统现在将响应平均值。 例如，如果它处于高电平的时间 占该时间的 75%，处于低电平的时间占该时间的 25%，那么从我们的眼睛将看到的情况以及我们的电机将执行的 操作来说，将发生的情况是，它将响应 75% 功率 那么，我们将看到该 LED以 75% 的亮度开启 软件现在可以调节、改变该占空比， 以调节该亮度。 我要在我的软件中执行它的方法是， 我要把 LED 设置为开启。 我要等待我希望它处于高电平的时间， 把它关闭，等待它处于低电平的 时间。 这一切将顺利进行，只要高电平加低电平是某个 固定值即可。 再说一次，软件可以完全控制 该波形，因为它可以动态调节 或改变它相对于波形的总周期处于 高电平的时间。 现在，在这里，在实验 9 中， 我们将浪费所有处理器时间，只是为了执行该操作。 要等到我们转到实验 13， 在该实验中，我们将向您展示如何 使用 MSB432 的内部计时器创建该脉宽调制波形。 但是，眼下无需担心它效率低。 我们知道它效率低。 我们稍后会修复它。 眼下，我希望您了解，脉宽调制是微控制器 可以使用的一种机制， 用于最终控制向某个对象 提供的功率量。 我们将通过选择一个快于 系统的时间常数的周期来执行它，从而 使被控对象响应设置的平均量， 而不是即时开启或关闭。 因此，它不仅是一种很有用的控制 方法，而且还非常简单， 因为它所需的电路也很廉价。 您应该记得，我们在眼睛和大脑之间进行了类比。 我说过，它类似于电机控制。 现在让我们执行另外一个例子。 事实证明，也可以选择该 RC 电路， 这里的电阻器电容器电路作为 电机行为的替代物 我在这里 拥有的是一个数字波形，它将是该脉宽 调制波形。 我将再次选择快于电机的周期， 那么 10 毫秒是 100毫秒的十分之一。 然后，我将调节占空比。 我们将看到的是，如果我将示波器探针 放置在电路的该点， 可以类比于电机 换句话说，它将根据 该波形的平均值进行操作。 因此，这里的输出电压将是平均值。 为了使它工作，我需要做的是， 使该 RC 电路的时间常数为 十分之一 -- 使它的时间常数 慢于我的波形的时间。 如果您知道某些 电路，您就知道这有多么简单。 如果您不知道某些电路，一言以蔽之， 该 R 乘以C 是时间。 因此，R 乘以 C分之 1 是频率。 我们把 2π 放在那里，然后就得到了赫兹 那么，我将选择22 千欧乘以 2.2 纳法， 再乘以 2π，从而使该电路 以模拟方式运行，就像电机一样。 我可以对它执行的操作 -- 它实际上有一个 奇特的名称 --它称为脉宽 调制数模转换器，因为该名称在本质上描述了 它的作用。 这里的数字波形，该高电平值，本质上 位于软件中。 这是一个数字数。 它以线性方式将数字值转换为 模拟电压输出 那么它的确是一个数模转换器。 我希望您在本实验中看到的是这个 即使我们没有 LED使我们的机器人移动 -- 该 DAC 就在这里，用于了解 PWM 并了解软件工作原理 现在，我们要在实验 12 中执行 实际电路 -- 将 PWM信号连接到电机的 实际电路。 电机将连接在这里， PWM 信号到达那里。 然后，当我们转到实验 13 时， 我们将移除所有我们曾担心的低效 内容，并使用MSP432 中的 计时器来生成这些波形，针对每个电机使用一个 -- 一个用于左侧电机，一个用于右侧电机。 一言以蔽之，该 PWM 是一种非常强大的设计 工具，许多嵌入式系统都将使用它。 那么，在第九章中，我们在最后一个视屏中讨论了 SysTick。 然后在本视频中，我们获得了一种低效的软件 延迟实现。 我们曾反复地说， 您将选择快于设备 本身的PWM 频率。 因此它将仅响应该平均值。 电机将会产生一个线性的 介于占空比和平均响应之间的响应 基于能量传输和电机控制， 它为我们提供了高精度、多种类的 控制能力。 那么，在该特定的课程中，我们将 在转到实验 12或 13 时使用它 来驱动电机。 因此，请把它放到您的工具箱中。 这是一种非常强大的接口技术， 称为脉宽调制。 尽情享用吧。