项目需求

作业题目及要求

• • 可编程 PWM 发生器
  • 使用 RP2040 的 PIO 编程，生成 3 路最高重复频率为 12MHz 的 PWM 信号，每一路的重复频率和占空比都可独立调节；
  • 重复频率越高，占空比分辨率降低，占空比的调节精度最高设定为 1/1000；
  • 使用按键和拨轮组合调节输出输出频率、占空比，并由按键控制每一路 PWM 信号的输出；
  • 能在 LCD 上显示基础信息如当前使用引脚示意、引脚相应的 PWM 参数；

需求分析

• • 硬件需求：

1. 1. 1. RP2040 开发板：可以选择 Raspberry Pi Pico 等基于 RP2040 芯片的开发板，确保具备足够的 GPIO 引脚用于生成 PWM 信号和控制 LCD 显示屏。
      2. LCD 显示屏：选择兼容 RP2040 开发板的 LCD 显示屏，常见的选择包括 1602A 型字符型液晶显示器或者 0.96 寸 OLED 显示屏。另外，需要考虑显示屏的驱动芯片和通信接口，确保与 RP2040 开发板兼容。
      3. 按键和拨轮：选择带有数字编码器（用于拨轮）和按键的模块，例如带旋转编码器和按钮的旋转编码器模块，确保兼容 RP2040 开发板的输入电平和通信协议。
      4. 电路连接器和线缆：根据实际需求选择合适的连接器和线缆，确保连接可靠且布线整洁。

• • 软件需求：

1. 1. 1. PIO 编程环境：使用 RP2040 官方提供的 PIO SDK，或者第三方成熟的 PIO 开发环境，用于编写和调试生成 PWM 信号的 PIO 代码。
      2. 控制程序语言：选择适合的编程语言，如 MicroPython 或 C++，用于编写控制程序。
      3. 开发工具：选择适合的集成开发环境（IDE）或文本编辑器，如 Thonny 或 Visual Studio Code，用于编写和调试控制程序。
      4. RP2040 开发板驱动程序：根据具体的开发板型号下载并安装对应的 USB 驱动程序和固件烧录工具，确保 RP2040 开发板能够正常连接和通信。
      5. LCD 驱动库：选择适合的 LCD 驱动库，如 RPi.GPIO 或 Adafruit CircuitPython 库，用于控制 LCD 显示屏的输出。
      6. 输入处理库：选择适合的输入处理库，如 RPi.GPIO 或 Adafruit CircuitPython 库，用于处理按键和拨轮的输入。

项目介绍

开发环境

• 使用官方提供的Micropython固件开发
• IDE: Thonnty
• 开发语言：Python
• 需求库：
• • 第三方St7789屏幕驱动库
  • PIO 支持库rp2、官方驱动库

【Thonng图】

【Thonng屏幕驱动图】

使用教程

• 不设置频率，不输出！
• 开机
• • 上电自动开机，显示Logo后，进入用户界面
  • 用户界面介绍
  • • 左侧为三个可选IO
    • 右侧为IO状态
    • • 黑色：GND
      • 红色：正在工作
      • 闪烁：正在设置IO输出
      • 浅蓝色：IO未使用

logo：

用户界面

• 选择IO

1. 1. 使用设备顶部的左右摇杆操作三个IO的选择；
   2. 左右波动可以上下选择；
   3. 中键按键表示选中，即进入操作IO模式

【操作界面图】

• 设置频率
• • 在设置界面，向左波动摇杆，即进入频率设置界面
  • 在频率设置界面，Freq和对应的IO闪烁
  • 向左波动摇杆控制频率增加。
  • 向右波动摇杆频率降低。
  • 中间按下，保存设置，PWM开始输出。
• 设置占空比

• • 在设置界面，向右波动摇杆，即进入占空比设置界面
  • 在占空比设置界面，Duty和对应的IO闪烁
  • 向左波动摇杆控制占空比减小。
  • 向右波动摇杆占空比增加。
  • 中间按下，保存设置，返回设置界面。
• 设置界面返回
• • 长按S键（详见原理图）返回用户界面。

【设置占空比】

【设置频率】

【设置完成，并返回】

实现的方式及框图

软件设计思路及实现

• 软件设计：

1. 1. 初始化 LCD 显示屏：在控制程序中使用 LCD 驱动库初始化 LCD 显示屏，并设置显示所需的参数（如行数、列数等）。
   2. 监听按键和拨轮输入：使用输入处理库监听按键和拨轮模块的输入，并根据输入值进行相应的操作。
   3. 控制 PWM 生成器：使用 PIO 编程环境编写代码，通过 RP2040 开发板的 GPIO 输出引脚生成 PWM 信号，并根据拨轮调整输出频率和按键调整占空比。
   4. 更新 LCD 显示：根据当前的 PWM 参数和用户输入，在 LCD 显示屏上实时更新输出频率和占空比等信息。

• 用户界面设计：

1. 1. 在 LCD 显示屏上显示基本信息：设计一个用户界面，在 LCD 显示屏上显示当前的 PWM 参数（如频率、占空比）和操作指南（如使用拨轮调整频率，按键调整占空比）。
   2. 响应用户输入：根据用户按键和拨轮的输入，即时更新 LCD 显示屏上的 PWM 参数，并反馈给用户当前的操作状态。

软件框图

代码说明

PIO程序

• 按照PWM生成原理编写的PIO程序
• 重装载值（计数最大值）被存出来isr寄存器，由软件pash到状态机。
• x寄存器中存储比较值（cmp），用于控制占空比
• y寄存器用于递减，并与x寄存器值比较。

# 装饰器定义引脚
@rp2.asm_pio(sideset_init=PIO.OUT_LOW)
def pwm_prog():
    
    mov(y, isr)   .side(0) # 重装载
    
    label("loop")
    jmp(x_not_y, "skip")  # 比较
    nop()  .side(1)
    
    label("skip")
    jmp(y_dec, "loop")

锯齿波比较生成PWM示意图

PWM设置程序

• 由按键控制PWM频率及占空比改变

            sleep(0.05)
            self.IOShow.SetIO(self.IONum, self.IOColor16)
            
            self.IOColor16 += 100
            if self.IOColor16 >= (65535 - 100):
                self.IOColor16 = 0

            if 0 == self.btn.OK.value():
                self.IOShow.SetIO(self.IONum, st7789.RED)
                self.display.text(font3, "Duty: ", 5, 71)
                break
            
            
            if 0 == self.btn.L.value():
                if self.CountMax >= 0 and self.CountMax < 1000:
                    self.Duty -= 1
                if self.CountMax >= 1000 :
                    self.Duty = int(self.Duty - float(self.CountMax/1000))
                if self.Duty <= 0 :
                    self.Duty = 0
                    
                    
            if 0 == self.btn.R.value():
               
                if self.CountMax >= 0 and self.CountMax < 1000:
                    self.Duty += 1
                if self.CountMax >= 1000 :
                    self.Duty = int(float(self.CountMax/1000) + self.Duty )
                
                if self.Duty >= self.CountMax :
                    self.Duty = self.CountMax
            
            self.PWM.set(self.Duty)
                    
            self.display.text(font3,"Duty: ",5,71, self.IOColor16)
            i = (self.Duty+1) / (self.CountMax+2) * 100
            if i < 10:
                i_formatted = '0{:.3f}'.format(i)
            else:
                i_formatted = '{:.3f}'.format(i)
            i_rounded = str(i_formatted) + Str_Index
            self.display.text(font3,i_rounded,5,89)
            print("DutyMax：", self.CountMax)
            print("Duty：", self.Duty)

• 配合PIO库相关函数，将占空比信息推送带状态机
• 这里对官方历程做了优化，在程序里做了mov(x, osr)这一步，那么PIO程序内就减少一个操作。

    def set(self, value):
        # Minimum value is -1 (completely turn off), 0 actually still produces narrow pulse
        value = max(value, -1)
        value = min(value, self._max_count)
        self._sm.put(value)
        self._sm.exec("pull(noblock)")
        self._sm.exec("mov(x, osr)") # 这里放 PhWM 比较值

• 由于分辨率要求，改变频率需重新初始化状态机

class PIOPWM:
    def __init__(self, sm_id, pin, max_count, count_freq):
        self._sm = StateMachine(sm_id, pwm_prog, freq=count_freq*2, sideset_base=Pin(pin))
        self._sm.active(1)
        self._sm.put(max_count)
        self._sm.exec("pull()")
        self._sm.exec("mov(isr, osr)")
        self._max_count = max_count
        self.set(int(max_count/10))

总结

• 这块小板子可以实现很多方便的调试（传感器应用调试、调试设备等）
• PIO灵活性很高，但需要学习成本，国内PIO相关的应用太少了，希望能看到PIO推屏幕、CAN、LIN等总线或屏幕显示接口的应用。