ARM-pwm脉冲宽度调制、ADC模数转换

昨天完成了LCD屏幕驱动实验，当时LCD背光直接用GPIO引脚高低电平控制，只有亮/灭两档，无法调节亮度。今天继续基于IM6ULL开发板，学习两大常用外设：PWM脉冲宽度调制、ADC模数转换器。

本次实验目标：ADC采集模拟电压，在LCD屏幕实时打印ADC原始(Voltage = \frac{采样值}{4096} \times 3.3V)与电压；同时使用PWM输出信号，可以用来控制LED/LCD背光亮度，实现平滑调光。

一、基础概念理解

1. PWM 脉冲宽度调制

PWM（Pulse Width Modulation）：脉冲宽度调制。

频率单位HZ，周期公式：周期 = 1 / 频率，例：1KHz = 1000Hz，对应周期就是1ms。

占空比：在一个周期内，高电平持续时间占总周期时间的比例。

原理：利用人眼视觉暂留效应，快速不断切换高低电平。占空比越大，等效平均电压越高，LED越亮；占空比越小，亮度越低。

输出极性：波形极性会影响高低电平对应的占空比。

30%占空比：高电平持续300单位时间，低电平700；

70%占空比：高电平持续700单位时间，低电平300。

对比昨天LCD背光GPIO控制：GPIO只有0和1两种状态，只能开关；PWM可以实现连续多级亮度调节。

2. ADC 模数转换器

ADC：Analog-to-Digital Converter，模拟信号转数字信号。

IM6ULL片上ADC为12位ADC，采样电压范围0~3.3V，采样数字值范围 0 ~ 4095。

电压计算公式：

Voltage = \frac{(Voltage = \frac{采样值}{4096} \times 3.3V)}{4096} \times 3.3V

可以用来采集电位器、光敏电阻这类模拟传感器，把连续变化的模拟电压转换成CPU能够识别的数字量。

二、完整代码解析

本次代码分为 pwm.c、adc.c、main.c 三部分，全部基于IM6ULL寄存器直接操作，裸机开发，不依赖高层SDK封装。

1. pwm.c 完整代码

#include "pwm.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "interrupt.h"

static float g_dc = 0.5;

void set_dc(float dc)
{
    g_dc = dc;
}

float get_dc(void)
{
    return g_dc;
}

void set_rotia(float dc)
{
    unsigned int temp = PWM1->PWMPR;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 4; i++)
    {
        PWM1->PWMSAR = temp * (1 - dc);
    }
}

void pwm1_irq_handler(void)
{
    if ((PWM1->PWMSR & (1 << 3)) != 0)
    {
        set_rotia(g_dc);
        //清除中断标志，IMX6ULL PWM为写1清零
        PWM1->PWMSR |= (1 << 3);
    }
}

void pwm1_init(void)
{
    //复用功能配置：GPIO1_IO08复用为PWM1_OUT
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO1_IO08_PWM1_OUT, 0);
    //电气特性
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO08_PWM1_OUT, 0xB9);
    
    //PWM模块复位
    PWM1->PWMCR |= (1 << 3);
    while((PWM1->PWMCR & (1 << 3)) != 0);

    //PWM1寄存器配置
    PWM1->PWMCR = 0;
    PWM1->PWMCR |= (1 << 26) | (1 << 16) | (65 << 4) | (3 << 1);
    PWM1->PWMIR |= (1 << 0);
    PWM1->PWMPR = 998;

    //3.设置中断优先级
    GIC_SetPriority(PWM1_IRQn, 0);
    //4.注册中断处理函数
    system_interrupt_register(PWM1_IRQn, pwm1_irq_handler);
    //5.设置中断使能
    GIC_EnableIRQ(PWM1_IRQn);
    
    set_rotia(g_dc);
    //开启PWM模块
    PWM1->PWMCR |= (1 << 0);
}

PWM代码说明

1. 引脚复用：GPIO1_IO08 设置为PWM1输出功能，配置PAD电气属性。
2. 外设复位：PWM上电需要软件复位，循环等待复位完成。
3. 时钟与周期配置：PWMPR寄存器配置PWM周期，这里赋值998。
4. 中断配置：GIC配置PWM中断优先级、注册中断服务函数，开启IRQ。
5. 中断服务函数 pwm1_irq_handler：PWM周期溢出触发中断，在中断内部更新PWMSAR比较寄存器，动态修改PWM占空比。
6. 接口函数
   set_dc()：全局变量设置目标占空比
   get_dc()：读取当前占空比
   set_rotia()：根据占空比计算PWMSAR的值；1-dc 和PWM输出极性匹配

2. adc.c 完整代码

#include "adc.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "stdio.h"

int Calibration_self(void)
{
    ADC1->GS |= (1 << 1);
    ADC1->GC |= (1 << 7);
    while ((ADC1->GC & (1 << 7)) != 0);
    return ((ADC1->GS & (1 << 1)) == 0);
}

void adc1_init(void)
{
    //复用功能配置，GPIO1_IO01作为ADC模拟输入
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO1_IO01_GPIO1_IO01, 0);
    //电气特性
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO01_GPIO1_IO01, IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_PKE(1));
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO01_GPIO1_IO01, IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_PUE(0));

    //ADC寄存器配置
    ADC1->HC[0] &= ~(1 << 7);
    ADC1->CFG = 0;
    ADC1->CFG |= (2 << 2) | (3 << 0);
    ADC1->GC = 0;
    ADC1->GC |= (1 << 0);
    
    //ADC自校准，必须执行，消除硬件偏移误差
    printf(Calibration_self() == 0 ? " Calibration completed normally.\n" : "Calibration failed.\n");  
}

unsigned short get_adc_value(void)
{
    ADC1->HC[0] = 0x1F;
    ADC1->HC[0] = 1;
    while((ADC1->HS & (1 << 0)) == 0);
    return (unsigned short)(ADC1->R[0] & 0xFFF);
}

float get_voltage(void)
{
    unsigned short temp = get_adc_value();
    return (float)temp / 4096.0f * 3.3f;
}

ADC代码说明

1. 引脚配置：GPIO1_IO01配置为模拟输入引脚，配置PAD上下拉、使能。
2. ADC初始化：配置ADC时钟分频、开启ADC电源。
3. 自校准 Calibration_self：ADC上电必须执行自校准，消除硬件带来的采样误差，校准失败采样结果会漂移不准。
4. get_adc_value()：启动一次ADC转换，等待转换完成，读取12bit原始采样数据。
5. get_voltage()：将12位数字量换算成实际电压，电压 = adc原始值 /4096.0 *3.3。

3. main.c 完整代码

#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "led.h"
#include "beep.h"
#include "key.h"
#include "interrupt.h"
#include "clock.h"
#include "epit.h"
#include "gpt.h"
#include "uart.h"
#include "stdio.h"
#include "string.h"
#include "i2c.h"
#include "at24c02.h"
#include "lm75.h"
#include "lcd.h"
#include "framebuffer.h"
#include "pwm.h"
#include "adc.h"

int main(void)
{
    system_interrupt_init();
    clock_init();
    led_init();
    beep_init();
    key_init();
    //epit1_init();
    gpt1_init();
    uart1_init();

    unsigned short temp = 0;
    float vol = 0;
    char buffer[128] = {0}; 

    pwm1_init();
    adc1_init();
    lcd_init();
    screen_clear(0x00FFFFFF);

    //lcd_h_drawline(100, 100, 200, 0x00FF0000);
    //extern void lcd_show_string(unsigned short x,unsigned short y, unsigned short width, unsigned short height, unsigned char size,char *p);
    //lcd_show_string(200,200, 300, 32, 32, "hello world!");
    
    while(1)
    {
        temp = get_adc_value();
        vol = get_voltage();
        int m = 0, n = 0;
        m = (int)(vol * 1000) / 1000;
        n = (int)(vol * 1000) % 1000;
        sprintf(buffer,"adc = %d, vol = %d.%d\n", temp, m, n);
        lcd_show_string(100, 100, 500, 32, 32, buffer);
        delay_ms(10);
    }
    return 0;
}

main函数说明

1. 外设初始化顺序：系统中断 → 系统时钟 → LED、蜂鸣器、按键 → GPT定时器 → UART串口 → PWM1 → ADC1 → LCD，然后清屏。
2. 主循环逻辑：
   • 读取ADC原始(Voltage = \frac{采样值}{4096} \times 3.3V)
   • 调用get_voltage计算电压浮点数
   • 把浮点数拆分为整数m和小数n，方便LCD显示
   • sprintf格式化字符串存入buffer
   • lcd_show_string 在屏幕(100,100)位置打印数据
   • 延时10ms循环刷新

三、实验现象

1. 调节电位器，ADC原始(Voltage = \frac{采样值}{4096} \times 3.3V)adc = xxx实时跟着变化；
2. LCD屏幕实时刷新电压 vol = x.xxx；
3. PWM通道持续输出设定占空比的方波，可以外接LED或者LCD背光引脚，用来调节亮度。

小结

1. ADC自校准不能省略：上电不校准，采样结果不准，甚至读取异常。
2. PWM中断：每次PWM周期完成触发中断，在中断里面修改PWMSAR，动态修改占空比。IM6ULL的PWM中断标志是写1清零，不能读清零。
3. LCD浮点数打印：LCD没有标准printf，使用sprintf把数值转为字符串，再调用lcd_show_string显示。
4. 引脚复用：IMX6ULL一个引脚有多个复用功能，PWM输出引脚必须配置为PWM功能；ADC引脚配置为模拟输入，不能当成普通GPIO。
5. GPIO与PWM对比：GPIO只能高低电平开关；PWM用于调光、电机调速；ADC用来采集外部模拟量，这两个外设是嵌入式模拟交互的基础。