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PWM参数计算详解（通俗易懂版）
文档说明
本文档专门解释PWM的各个参数计算原理，用通俗的语言和图表帮助理解复杂的PWM概念。适合只熟悉0-255亮度控制的开发者快速理解PWM参数。
1. 什么是PWM？
PWM就像开关灯一样，快速地开关来控制亮度。想象你手里有个开关，如果一直开着，灯就是100%亮；如果一直关着，灯就是0%亮。但如果你快速地开开关关，开的时间长一点，灯就亮一点；关的时间长一点，灯就暗一点。
PWM波形图解
100%亮度 (一直开着):
████████████████████████████████████████████████████
50%亮度 (一半时间开，一半时间关):
████████ ████████ ████████ ████
25%亮度 (1/4时间开，3/4时间关):
████ ████ ████ ████ ████ ████ ████
0%亮度 (一直关着):
________________________________________________
关键概念图解
graph LR
A[频率<br/>每秒开关多少次] --> B[周期<br/>一次开关的总时间]
B --> C[占空比<br/>开的时间占比例]
C --> D[亮度效果<br/>人眼感知的亮度]
style A fill:#e3f2fd
style B fill:#f1f8e9
style C fill:#fff3e0
style D fill:#fce4ec
2. 从0-255到实际参数的转换
2.1 对应关系表
| 你熟悉的数值 | 百分比 | PWM术语 | 实际效果 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0% | 0%占空比 | 完全不亮 |
| 64 | 25% | 25%占空比 | 1/4亮度 |
| 128 | 50% | 50%占空比 | 一半亮度 |
| 192 | 75% | 75%占空比 | 3/4亮度 |
| 255 | 100% | 100%占空比 | 最亮 |
2.2 转换公式
// 从你熟悉的0-255转换到百分比
uint8_t brightness = 128; // 你设置的亮度值
float duty_percent = (brightness / 255.0f) * 100.0f; // 转换成百分比
// 例子：
// brightness = 0 → duty_percent = 0% (完全不亮)
// brightness = 64 → duty_percent = 25% (1/4亮度)
// brightness = 128 → duty_percent = 50% (一半亮度)
// brightness = 192 → duty_percent = 75% (3/4亮度)
// brightness = 255 → duty_percent = 100% (最亮)
3. PWM参数计算原理
3.1 基础概念图解
系统就像一个超快的时钟(80MHZ)，每秒"滴答(cycle)"8000万次，每个滴答节奏所对应的时间是固定的。
也就是这个PWM的最高精度就是(1/80*1000*1000)s =
如果我们要让PWM 1000HZ，也就是每秒开关1000次：
那么每次开关需要：80M ÷ 1000 = 80000 cycle所对应的时间
所以我们控制PWM本质上是控制这个PWM，一个周期的cycle总个数以及比例分配。
比如我要 PWM 是1KHZ
首先计算，1KHZ 一个PWM周期就是1/1000s 也就是1ms
然后计算1ms 对应多少个cycle: 0.001 / (1/80*1000*1000) = 80,000
然后再根据占空比去分配这 80,000 个数字就行了
只要确保high_time low_time加起来是8000就行
3.2 时间轴图解
一个PWM周期 (1000Hz = 1ms):
0 20000 40000 60000 80000
|---------|---------|---------|---------|
25% 50% 75% 100%
如果要50%亮度：
████████████████████████████████████████
|←----- 开40000-----→|←---- 关40000 ----|
如果要75%亮度：
████████████████████████████████████████████████████████
|←-------- 开 (60000滴答) ---------→|←- 关 (20000滴答) -|
3.3 计算步骤详解
// 第1步：确定系统时钟（这是硬件固定的，不用改）
uint32_t system_clock = 80000000; // 80MHz = 每秒8000万次计数
// 第2步：设定PWM频率（就是每秒开关多少次）
uint32_t pwm_frequency = 1000; // 1000Hz = 每秒开关1000次
// 第3步：计算一个开关周期需要多少个时钟计数
// 打个比方：如果系统每秒有8000万下，你要让它每秒开关1000次
// 那么每次开关就需要：8000万 ÷ 1000 = 80000个计数
uint32_t period_count = system_clock / pwm_frequency;
// 第4步：根据亮度(占空比)计算开和关的时间
// 如果要60%亮度，那么80000个计数中，48000个用来"开"，32000个用来"关"
float brightness_percent = 60.0; // 60%亮度
uint32_t on_time = (uint32_t)(period_count * brightness_percent / 100.0);
uint32_t off_time = period_count - on_time;
// 结果：
// on_time = 48000 (开的时间)
// off_time = 32000 (关的时间)
4. PWM参数详解图表
4.1 pwm_config_t结构体参数图解
typedef struct pwm_config {
uint32_t high_time; // 高电平时间（"开"的时间，用计数表示）
uint32_t low_time; // 低电平时间（"关"的时间，用计数表示）
uint32_t offset_time; // 相位偏移时间（延迟启动时间）
uint16_t cycles; // 重复次数（0=无限重复）
bool repeat; // 连续输出标志（true=一直输出）
} pwm_config_t;
4.2 参数关系图
graph TB
A[一个PWM周期] --> B[high_time<br/>开的时间]
A --> C[low_time<br/>关的时间]
B --> D[占空比 = high_time / （high_time + low_time）]
C --> D
D --> E[最终亮度效果]
F[offset_time<br/>延迟启动] --> G[多通道同步控制]
H[cycles<br/>重复次数] --> I[输出控制]
J[repeat<br/>连续标志] --> I
style A fill:#e3f2fd
style D fill:#f1f8e9
style E fill:#fff3e0
4.3 各参数的通俗解释
high_time（高电平时间）
- 通俗理解：就是"开关"中"开"的时间，用时钟计数表示
- 计算方法：
high_time = 周期计数 × 亮度百分比 - 例子：如果high_time = 40000，系统时钟80MHz，那么"开"的时间 = 40000 ÷ 80000000 = 0.5ms
low_time（低电平时间）
- 通俗理解：就是"开关"中"关"的时间，用时钟计数表示
- 计算方法：
low_time = 周期计数 - high_time - 例子：如果low_time = 40000，那么"关"的时间也是0.5ms
offset_time（相位偏移）
- 通俗理解：延迟多长时间再开始PWM输出
- 使用场景：多个LED需要错开时间启动，避免同时启动造成电流冲击
- 大多数情况：设为0即可
cycles（重复次数）
- 通俗理解：PWM波形重复多少次后停止
- 常用设置：
0：无限重复（最常用）具体数字：输出指定次数后停止
repeat（连续输出标志）
- 通俗理解：是否持续输出PWM波形
- 常用设置：
true：持续输出（最常用）false：只输出指定次数后停止
5. 实际计算示例
5.1 示例1：设置50%亮度
// 目标：PWM频率1000Hz，50%亮度
// 第1步：计算周期计数
uint32_t period_cnt = 80000000 / 1000; // = 80000
// 第2步：计算高低电平时间
uint32_t high_time = 80000 * 50 / 100; // = 40000
uint32_t low_time = 80000 - 40000; // = 40000
// 第3步：配置PWM
pwm_config_t cfg = {
.high_time = 40000, // "开" 0.5ms
.low_time = 40000, // "关" 0.5ms
.offset_time = 0, // 不延迟
.repeat = true, // 持续输出
.cycles = 0 // 无限重复
};
5.2 示例2：设置75%亮度
// 目标：PWM频率1000Hz，75%亮度
uint32_t period_cnt = 80000;
uint32_t high_time = 80000 * 75 / 100; // = 60000
uint32_t low_time = 80000 - 60000; // = 20000
pwm_config_t cfg = {
.high_time = 60000, // "开" 0.75ms (更长)
.low_time = 20000, // "关" 0.25ms (更短)
.offset_time = 0,
.repeat = true,
.cycles = 0
};
5.3 波形对比图
50%占空比 (high_time=40000, low_time=40000):
████████████████████████████████████████ ████████████████████████████████████████
|←-------- 0.5ms ------→|←-- 0.5ms --→| |←-------- 0.5ms ------→|←-- 0.5ms --→|
75%占空比 (high_time=60000, low_time=20000):
████████████████████████████████████████████████████████ ████████████████████████████████████████████████████████
|←-------------- 0.75ms ------------→|0.25ms| |←-------------- 0.75ms ------------→|0.25ms|
25%占空比 (high_time=20000, low_time=60000):
████████████████████ ████████████████████
|←-- 0.25ms --→|←---- 0.75ms ----→| |←-- 0.25ms --→|←---- 0.75ms ----→|
7. 简化使用函数
7.1 推荐的简化函数
// 这个函数让PWM像以前一样简单
errcode_t set_pwm_brightness_simple(uint8_t channel, uint8_t brightness_0_255)
{
// 固定使用1000Hz频率，适合LED调光
uint32_t frequency = 1000;
// 将0-255转换为百分比
float duty_percent = (brightness_0_255 / 255.0f) * 100.0f;
// 计算周期计数（80MHz ÷ 1000Hz = 80000）
uint32_t period_cnt = 80000000 / frequency;
// 计算高低电平时间
uint32_t high_time = (uint32_t)(period_cnt * duty_percent / 100.0f);
uint32_t low_time = period_cnt - high_time;
// 配置PWM
pwm_config_t cfg = {
.high_time = high_time, // "开"的时间（计数值）
.low_time = low_time, // "关"的时间（计数值）
.offset_time = 0, // 不需要相位偏移
.repeat = true, // 持续输出
.cycles = 0 // 无限循环
};
return uapi_pwm_open(channel, &cfg);
}
8. 常见问题解答
Q1: 为什么不能直接用0-255，要用这些复杂参数？
A: PWM硬件需要知道具体的时钟计数，不是百分比。就像你告诉司机"开快点"，司机需要知道具体开多少码一样。
Q2: high_time和low_time的单位是什么？
A: 单位是时钟计数次数，不是时间。1个计数 = 1/80000000秒 = 12.5纳秒。
Q3: 为什么推荐1000Hz频率？
A:
- 高于100Hz：人眼看不到闪烁
- 低于20kHz：不会产生高频噪音
- 1000Hz刚好在这个范围内，且计算简单
Q4: offset_time什么时候用？
A: 主要用于多通道同步，比如RGB灯的三个颜色错开启动，避免电流冲击。
Q5: 如何实现渐变效果？
A: 在循环中逐步改变brightness_0_255的值，每次改变后调用set_pwm_brightness_simple()。