【雕爷学编程】MicroPython手册之 SAMD21 PWM（脉宽调制）

MicroPython是为了在嵌入式系统中运行Python 3编程语言而设计的轻量级版本解释器。与常规Python相比，MicroPython解释器体积小(仅100KB左右)，通过编译成二进制Executable文件运行，执行效率较高。它使用了轻量级的垃圾回收机制并移除了大部分Python标准库，以适应资源限制的微控制器。

MicroPython主要特点包括:
1、语法和功能与标准Python兼容,易学易用。支持Python大多数核心语法。
2、对硬件直接访问和控制,像Arduino一样控制GPIO、I2C、SPI等。
3、强大的模块系统,提供文件系统、网络、图形界面等功能。
4、支持交叉编译生成高效的原生代码,速度比解释器快10-100倍。
5、代码量少,内存占用小,适合运行在MCU和内存小的开发板上。
6、开源许可,免费使用。Shell交互环境为开发测试提供便利。
7、内置I/O驱动支持大量微控制器平台，如ESP8266、ESP32、STM32、micro:bit、掌控板和PyBoard等。有活跃的社区。

MicroPython的应用场景包括:
1、为嵌入式产品快速构建原型和用户交互。
2、制作一些小型的可 programmable 硬件项目。
3、作为教育工具,帮助初学者学习Python和物联网编程。
4、构建智能设备固件,实现高级控制和云连接。
5、各种微控制器应用如物联网、嵌入式智能、机器人等。

使用MicroPython需要注意:
1、内存和Flash空间有限。
2、解释执行效率不如C语言。
3、部分库函数与标准版有差异。
4、针对平台优化语法,订正与标准Python的差异。
5、合理使用内存资源,避免频繁分配大内存块。
6、利用原生代码提升速度关键部位的性能。
7、适当使用抽象来封装底层硬件操作。

总体来说,MicroPython让Python进入了微控制器领域，是一项重要的创新，既降低了编程门槛，又提供了良好的硬件控制能力。非常适合各类物联网和智能硬件的开发。

SAMD21是一系列使用32位ARM® Cortex®-M0+处理器的低功耗微控制器，由Microchip Technology公司开发。SAMD21的技术参数如下：

1、处理器：32位ARM® Cortex®-M0+，最高工作频率为48MHz，每兆赫兹可达2.46 Coremark。
2、存储器：闪存容量从32KB到256KB不等，SRAM容量从4KB到32KB不等。
3、电源管理：支持多种低功耗模式，如空闲和待机模式，最低功耗为3.5μA/MHz。
4、外设：拥有丰富的智能和灵活的外设，如直接内存访问控制器（DMAC）、事件系统、定时器/计数器（TC/TCC）、实时时钟（RTC）、看门狗定时器（WDT）、CRC-32生成器、通用串行总线（USB）2.0接口、串行通信接口（SERCOM）、Inter-IC Sound（I2S）接口、模数转换器（ADC/DAC）、模拟比较器（AC）和外设触摸控制器（PTC）。
5、封装：支持多种封装形式，从32引脚到64引脚不等，包括TQFP、QFN、UFBGA和WLCSP。
6、标准：符合AEC-Q100 Grade 1的汽车级标准，工作温度范围为-40°C到+125°C。

MicroPython的SAMD21 PWM（脉宽调制）是指在SAMD21微控制器上使用MicroPython语言进行脉宽调制输出的功能模块。

主要特点：

脉冲生成能力：SAMD21 PWM模块能够生成精确的脉冲信号。通过调整脉冲的占空比和频率，可以模拟出不同的模拟信号，如音频信号、电机控制信号等。
多通道输出：SAMD21微控制器通常具有多个PWM通道，每个通道都可以独立配置和控制。这些通道可以同时输出不同的脉冲信号，提供灵活的PWM输出能力。
可编程性：通过MicroPython语言，开发者可以使用简洁的语法对SAMD21 PWM进行编程控制。可以设置脉冲的占空比、频率和极性等参数，实现灵活的PWM调制。

应用场景：

电机控制：SAMD21 PWM模块常用于电机控制领域。通过调整PWM信号的占空比，可以控制电机的转速和方向，实现精确的电机控制。
LED灯控制：PWM技术广泛应用于LED灯控制中。通过调整PWM信号的占空比，可以精确控制LED的亮度，实现灯光的调光效果。
声音合成：PWM模块在声音合成中也有应用。通过调整PWM信号的频率和占空比，可以模拟出不同音调和音乐效果。

注意事项：

频率选择：选择适当的PWM频率非常重要。过高的频率可能在某些应用中引起电磁干扰，而过低的频率可能导致可见的闪烁或噪音问题。需要根据具体应用需求选择合适的PWM频率。
占空比计算：在进行PWM输出时，需要准确计算和设置脉冲的占空比。占空比表示高电平脉冲在一个周期内所占的比例，对于一些应用，如电机控制，占空比的精确设置非常重要。
输出电平和电流：在使用PWM模块时，需要注意输出引脚的电平和电流限制。确保PWM输出的电平符合连接设备的要求，并不超过引脚的最大电流承载能力。

综上所述，MicroPython的SAMD21 PWM模块利用SAMD21微控制器的丰富资源和MicroPython语言的支持，提供了灵活的脉宽调制输出功能。适用于电机控制、LED灯控制、声音合成等应用场景。在使用PWM模块时，需要注意选择适当的频率、准确计算和设置占空比，以及输出电平和电流的限制，以确保PWM输出的稳定性和可靠性。

以下是几个实际运用程序参考代码案例，分别演示了如何使用MicroPython的SAMD21 PWM功能进行脉宽调制：

案例一：使用machine.PWM()创建PWM对象

import machine
pwm = machine.PWM(Pin(2, Pin.OUT))  # 创建一个PWM对象，通道号为2，输出模式为推挽输出

重点解读：这个程序使用machine.PWM()函数创建一个PWM对象，并指定通道号和输出模式。在这个例子中，我们将通道号设置为2，输出模式设置为推挽输出。

案例二：使用pwm.freq()设置PWM频率

pwm.freq(1000)  # 设置PWM频率为1000Hz

重点解读：这个程序使用PWM对象的freq()方法设置PWM的频率。在这个例子中，我们将PWM频率设置为1000Hz。

案例三：使用pwm.duty()设置PWM占空比

pwm.duty(50)  # 设置PWM占空比为50%

重点解读：这个程序使用PWM对象的duty()方法设置PWM的占空比。在这个例子中，我们将PWM占空比设置为50%。

案例四：控制LED的亮度

import machine  
  
led = machine.Pin(22, machine.Pin.OUT)  # 将22号引脚设为输出模式，连接LED  
pwm = machine.PWM(led)  # 创建一个PWM对象，与LED连接  
  
# 设置PWM的频率（单位：Hz）和占空比（0~100%）  
pwm.freq(100)  
pwm.duty(50)  
  
while True:  
    # 逐渐增加占空比，以改变LED的亮度  
    for i in range(0, 101, 1):  
        pwm.duty(i)  
        utime.sleep(0.02)  # 延时20ms，以观察亮度变化  
      
    # 逐渐减小占空比，以改变LED的亮度  
    for i in range(100, -1, -1):  
        pwm.duty(i)  
        utime.sleep(0.02)  # 延时20ms，以观察亮度变化

要点解读：
首先，导入machine模块，以便控制引脚和创建PWM对象。
将22号引脚设为输出模式，并将其连接到LED上。
创建一个PWM对象，与LED连接。
使用pwm.freq()函数设置PWM的频率，这里设置为100Hz。
使用pwm.duty()函数设置PWM的占空比，这里初始值为50%。
在一个无限循环中，通过两个嵌套的for循环逐渐增加和减小占空比，以改变LED的亮度。每次改变占空比后，使用utime.sleep()函数进行延时，以便观察亮度变化。

案例五：控制电机转速

import machine  
import utime  
  
motor_pin = machine.Pin(23, machine.Pin.OUT)  # 将23号引脚设为输出模式，连接电机  
pwm = machine.PWM(motor_pin)  # 创建一个PWM对象，与电机连接  
  
# 设置PWM的频率（单位：Hz）和占空比（0~100%）  
pwm.freq(100)  
pwm.duty(50)  
  
while True:  
    # 逐渐增加占空比，以增加电机转速  
    for i in range(0, 101, 1):  
        pwm.duty(i)  
        utime.sleep(0.02)  # 延时20ms，以观察转速变化  
      
    # 逐渐减小占空比，以减小电机转速  
    for i in range(100, -1, -1):  
        pwm.duty(i)  
        utime.sleep(0.02)  # 延时20ms，以观察转速变化

要点解读：
将23号引脚设为输出模式，并将其连接到电机上。
创建一个PWM对象，与电机连接。
使用pwm.freq()函数设置PWM的频率，这里设置为100Hz。
使用pwm.duty()函数设置PWM的占空比，这里初始值为50%。
在一个无限循环中，通过两个嵌套的for循环逐渐增加和减小占空比，以改变电机的转速。每次改变占空比后，使用utime.sleep()函数进行延时，以便观察转速变化。

案例六：控制舵机角度

import machine  
import utime  
  
# 将GPIO口连接到舵机控制系统上  
servo_pin = machine.Pin(24, machine.Pin.OUT)  
  
# 创建一个PWM对象，与舵机控制系统连接  
pwm = machine.PWM(servo_pin)  
  
# 设置PWM的频率（单位：Hz）  
pwm.freq(50)  
  
while True:  
    # 逐渐增加占空比，以改变舵机角度  
    for i in range(0, 101, 1):  
        pwm.duty(i * 500)  # 将占空比映射为PWM的占空比，增加舵机角度  
        utime.sleep(0.02)  # 延时20ms，以观察舵机角度变化  
      
    # 逐渐减小占空比，以改变舵机角度  
    for i in range(100, -1, -1):  
        pwm.duty(i * 500)  # 将占空比映射为PWM的占空比，减小舵机角度  
        utime.sleep(0.02)  # 延时20ms，以观察舵机角度变化

要点解读：
首先，导入machine和utime模块，以便控制引脚和创建PWM对象。
将24号引脚设为输出模式，并将其连接到舵机控制系统的GPIO口上。
创建一个PWM对象，与舵机控制系统连接。
使用pwm.freq()函数设置PWM的频率，这里设置为50Hz。
在一个无限循环中，通过两个嵌套的for循环逐渐增加和减小PWM的占空比，以改变舵机的角度。将占空比映射为PWM的占空比，即i * 500，以便控制舵机的角度。每次改变占空比后，使用utime.sleep()函数进行延时，以便观察舵机角度变化。

案例七：使用SAMD21的PWM控制LED的亮度

SAMD21设备可以使用PWM输出来控制LED的亮度，通过改变占空比来调节电压。以下是一个使用MicroPython的代码示例，它可以让PA02引脚上的LED以呼吸灯的效果变化亮度：

from machine import PWM, Pin
import time

led = PWM(Pin('PA02')) # 创建PWM对象，使用PA02引脚
value = 0 # 初始值为0
step = 10 # 每次增加或减少的步长
direction = 1 # 方向，1为上升，-1为下降

while True:
    led.duty_u16(value) # 向PWM写入值，范围为0-65535
    value += step * direction # 根据方向和步长更新值
    if value > 65535: # 如果超过最大值，改变方向并减去多余的部分
        value = 65535 - (value - 65535)
        direction = -1
    elif value < 0: # 如果低于最小值，改变方向并加上多余的部分
        value = -value
        direction = 1
    time.sleep(0.01) # 延时10毫秒

要点解读：
PWM类可以用来创建一个PWM对象，它可以实现脉宽调制输出。
PWM对象的duty_u16方法可以用来向PWM写入一个整数值，范围为0-65535，对应于0-3.3伏特的模拟电压。
通过循环改变PWM的输出值，可以生成不同形状和频率的模拟波形。

案例八：使用SAMD21的PWM产生音频信号

SAMD21设备可以使用PWM输出来产生音频信号，通过改变频率来调节音高。以下是一个使用MicroPython的代码示例，它可以让PA03引脚上的扬声器播放一段旋律：

from machine import PWM, Pin
import time

speaker = PWM(Pin('PA03')) # 创建PWM对象，使用PA03引脚

# 定义一些音符和对应的频率（以赫兹为单位）
NOTE_C4 = 262
NOTE_D4 = 294
NOTE_E4 = 330
NOTE_F4 = 349
NOTE_G4 = 392
NOTE_A4 = 440
NOTE_B4 = 494
NOTE_C5 = 523

# 定义一段旋律和对应的节拍（以四分音符为单位）
melody = [NOTE_C4, NOTE_G4, NOTE_A4, NOTE_G4, NOTE_F4, NOTE_E4, NOTE_D4, NOTE_C4]
beats = [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2]

# 定义每分钟的拍子数和每个节拍的持续时间（以秒为单位）
tempo = 120
duration = 60 / tempo

# 播放旋律
for i in range(len(melody)): # 遍历旋律中的每个音符
    speaker.freq(melody[i]) # 设置PWM的频率为音符的频率
    speaker.duty_u16(32768) # 设置PWM的占空比为50%
    time.sleep(duration * beats[i]) # 按照节拍延时
    speaker.duty_u16(0) # 设置PWM的占空比为0%
    time.sleep(0.05) # 留出一点间隙

speaker.deinit() # 禁用PWM输出

要点解读：
PWM类可以用来创建一个PWM对象，它可以实现脉宽调制输出。
PWM对象的freq方法可以用来设置PWM输出的当前频率。不同的频率对应于不同的音高。
PWM对象的duty_u16方法可以用来向PWM写入一个整数值，范围为0-65535，对应于0-3.3伏特的模拟电压。设置占空比为0可以关闭PWM输出。
PWM对象的deinit方法可以用来禁用PWM输出。

案例九：使用SAMD21的PWM控制舵机的角度

SAMD21设备可以使用PWM输出来控制舵机的角度，通过改变脉冲宽度来调节舵机的转动。以下是一个使用MicroPython的代码示例，它可以让PA04引脚上的舵机以不同的角度摆动：

from machine import PWM, Pin
import time

servo = PWM(Pin('PA04')) # 创建PWM对象，使用PA04引脚
servo.freq(50) # 设置PWM的频率为50赫兹，对应于舵机的控制信号

# 定义一些角度和对应的脉冲宽度（以纳秒为单位）
ANGLE_0 = 500000
ANGLE_90 = 1500000
ANGLE_180 = 2500000

# 控制舵机转动到不同的角度
servo.duty_ns(ANGLE_0) # 设置脉冲宽度为500微秒，对应于0度
time.sleep(1) # 延时1秒
servo.duty_ns(ANGLE_90) # 设置脉冲宽度为1500微秒，对应于90度
time.sleep(1) # 延时1秒
servo.duty_ns(ANGLE_180) # 设置脉冲宽度为2500微秒，对应于180度
time.sleep(1) # 延时1秒

servo.deinit() # 禁用PWM输出

要点解读：
PWM类可以用来创建一个PWM对象，它可以实现脉宽调制输出。
PWM对象的freq方法可以用来设置PWM输出的当前频率。舵机通常需要一个50赫兹的控制信号。
PWM对象的duty_ns方法可以用来向PWM写入一个整数值，以纳秒为单位，表示脉冲宽度。不同的脉冲宽度对应于不同的角度。
PWM对象的deinit方法可以用来禁用PWM输出。

请注意，以上案例只是为了拓展思路，可能存在错误或不适用的情况。不同的硬件平台、使用场景和MicroPython版本可能会导致不同的使用方法。在实际编程中，您需要根据您的硬件配置和具体需求进行调整，并进行多次实际测试。确保正确连接硬件并了解所使用的传感器和设备的规范和特性非常重要。