如何利用PWM调光原理实现三基色灯的各种闪亮效果

前段时间使用STM8S003F3实现了一个三基色灯的各种效果，故写一篇文章作为一个记录。

1 综述

我们知道，要是的LED灯亮直接通电即可。而要改变灯的亮度，我们有两种方法：改变电流和PWM调光。

我们首先想到的就是改变它的驱动电流，因为LED的亮度是几乎和它的电流直接成正比关系。然而用调正向电流的方法来调节亮度会产生一个问题：在调亮度的同时也会改变它的光谱和色温，这样就会会产生色偏。因为目前白光LED都是用蓝光LED加黄色荧光粉而产生，当正向电流减小时，蓝光LED亮度增加而黄色荧光粉的厚度并没有按比例减薄，从而使其光谱的主波长增长。这个问题对于一般的照明是没有问题的，因为色温的变化量毕竟不是很大。但是对电源来说当电流过小时会产生闪烁，除非电源的恒流范围很宽，完全可以从0到最大。这样才没有问题。简而言之，电流调光有色温变化和电源电流过小产生闪烁的问题。曾经做过一个项目，用于某设备上需要非常非常平稳的调光，显然电流调光是无法实现。同时像本文介绍的三基色调光有颜色要求的显然也不行。因此我们使用PWM调光。

既然PWM调光可以避免上面的两个问题，为什么不直接都用PWM调光呢？因为我们毕竟是做产品，要考虑成本问题。使用PWM调光至少需要一颗能支持PWM的芯片（当然还有外围电路，但是电流调光也是有电路的。我们也应该知道PWM信号也可以由脉冲发生器提供），另外它需要编写程序。所以只有在需要的场合才使用PWM调光（使用PWM调光需要注意的问题是频率不能太低或者太高，推荐150-400Hz之间。）。PWM的优点如下：

●PWM调光就不会产生色偏，因为它总是工作在0或者最大两种状态。

●PWM的占空比很好控制，而且精度高

●对电源没有影响，因为不会改变电源的工作条件，只是给电源开或者关。

2 PWM波调光的原理

脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换及LED照明等许多领域中。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。简言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

2.1 占空比（Duty Cycle or Duty Ratio）

首先我们需要了解占空比，占空比的解释可以归纳为如下几种：

●在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。例如：脉冲宽度1μs，信号周期4μs的脉冲序列占空比为0.25。

●在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值。

●在周期型的现象中，现象发生的时间与总时间的比。

通俗一点讲就是电路释放能量的有效时间与总释放时间的比。

2.2 调光比

然后我们需要了解调光比，调光比则是按下面的方法计算（Foper：工作频率；Fpwm：调光频率；）：

调光比率 = Foper / Fpwm，（其实也就是调光的最低有效占空比）

比如Foper=100KHZ；Fpwm=200Hz，则调光比为：100K/200=500；这个指标在很多驱动芯片的规格书里会说明的。

2.3 PWM调光2.3.1 PWM调光原理

● 若一个占空比为10%的PWM输出，即10%的时间通，90%的时间断；

● 若一个占空比为50%的PWM输出，即50%的时间通，50%的时间断；

● 若一个占空比为90%的PWM输出，即90%的时间通，10%的时间断；

我们知道，人眼是有视觉暂留的，打个比方，人眼只能识别1us（（这个比方没有任何科学依据，仅仅为了便于理解）内光子的数量从而判断亮暗，如果1us接收了1000个光子，那么我们就会认为是一个亮度，至于这1000个光子是在1us什么时候收到，是没有任何影响的，也就是说，在0.1us的时候收到和0.2us的时候收到是没有区别的，我们需要关心的只是数量。这就是为什么我们进行PWM调光的时候不能太慢（视觉暂留可以分辨）也不能太快（太快就没有区别了，就一直是最亮的）。这样就好理解了，占空比是10%，就相当于给它加了一个0.9V的电压（因为10%通电时间里电流产生的效果和0.9V加在周内的时候是一样的）。所以我们就可以通过占空比来条件亮度。

如果在50ms中，LED在这段时间中得到9V供电。如果在下一个50ms中将开关断开，灯泡得到的供电将为0V。如果在1秒钟内将此过程重复10次，灯泡将会点亮并象连接到了一个4.5V电池（9V的50%）上一样。这种情况下，占空比为50%，调制频率为10Hz（T=1/f = 1/10 = 0.1S ）。大多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开……。占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得4.5V电压的供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯（但保持点亮）的效果，必须提高调制频率。在其他PWM应用场合也有同样的要求。通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

通过上面的介绍，我们就知道了PWM调光的原理，那么我们来看看我们这个项目的原理。

2.3.2 三基色呼吸灯原理

需求说明：我们需要设置一个灯，它具有常亮、长暗、快闪、慢闪、呼吸5钟效果，并且要求这几种状态是可以变化的。灯的颜色可以变化。

需求分析：灯的颜色可以变化——确定使用三基色灯。状态可以切换，我们使用串口调节灯的状态和灯的颜色（通过串口给单片机发送数据，然后将参数传给灯控制函数）。我们使用PWM调节灯的亮度，通过改变捕获/比较寄存器的值来改变占空比从而改变亮度。

数学建模：三个灯和一个灯的控制是一样的，由于我们使用的是PWM波调光所以灯只有两种状态：断和通。我们分析5种状态可以抽象成数学模型：暗、上升、亮、下降4钟状态（长暗就是一直暗，常亮就是一直亮，快闪就是100%占空比而且频率比较快，慢闪就是100%占空比而且频率比较慢、呼吸就是占空比最低为10%然后以10%逐渐上升）。然后我们确定需要输入的变量：Value_LED_Red（红色灯的亮度）、Value_LED_Green（绿色灯的亮度）、Value_LED_Blue（蓝灯的亮度）、Value_ChangeOnce（上升或下降的速度）、HoldTime_Min（在低电平状态的持续时间）、HoldTime_Max（在高电平状态的持续时间）。

3 实现过程

下面是TSSOP20封装的管脚图。

首先，我们要确定硬件管脚，但是事实上，因为我用的最多的就是TIM2和TIM4，因此我选用的TIM2_1（PC5，Red）、TIM2_2（PD3，Green）、TIM2_3（PD2，Blue），但是发现除了绿色以外都无法用PWM波控制，但是能用IO控制亮暗，后来查资料发现TIM2_1和TIM2_3早使用的时候必须给存储器地址分布重映射，也就是我们需要使用管脚的复用功能！我们通过看《数据手册》发现，使用TIM2只有一个管脚是复用功能，因此选择TIM2。但是我因为电路限制，所以还是用的上面所说的管脚（注意，TIM2_3有复用和不复用两种，我用的是复用）。这也没有什么影响，我们可以学习一下管脚的复用功能。

3.1 使用复用功能

我们首先看《数据手册》中关于管脚的描述（第一行是TSSOP20封装的管脚编号，第二行是UFQFPN20封装的管脚b）

从上面的图中我们可以看到，需要使用15、19管脚复用功能就需要设置AFR0和AFR1——使用复用功能就是设置AFR（Alternate function remapping bits，候补功能映射位）——我们继续看芯片资料

其中OPT2【选项字节（Option byte）编程 】和NOPT2需要是相反的（可能是出于校验考虑），我们从《数据手册》中可以知道： 应用程序可直接向目标地址进行写操作。所以我们直接对这两个地址进行写操作，那么数值是多少呢？我们继续看《数据手册》，如下图所示

从上图中我们可以看到，我们将AFR1设置为1，将AFR0设置成1。代码如下：

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

*Function:FLASH_Init

*Calls:void

*CalledBy:All_Config.c

*Input:void

*OUTPUT:void

*Return:void

*DESCRIPTION:1.设置管脚复用功能（AFR0要设置为1AFR1要设置为1）

2.eeprom每一次只能操作一个字节

*Others:nothing

volatile unsigned char flash_OPT2 @0x4803;
责任编辑；zl