蓝牙芯片nRF52832之PWM的使用
nRF52832蓝牙芯片，自带了3路PWM硬件模块，每个模块支持4路，总共支持12路PWM。在SDK15中提供了简化的API，能够快速、便捷的实现PWM功能。以驱动LED灯为例，介绍一下nRF5283在SDK15中PWM的使用步骤以及注意的问题。
SDK15 PWM的使用步骤
1. SDK 驱动配置中enable PWM模块
图1
2. 初始化PWM实例
#include "nrf_drv_pwm.h"
static nrf_drv_pwm_t m_pwm0 = NRF_DRV_PWM_INSTANCE(0);
3. 初始化配置
nrf_drv_pwm_config_t const config0 =
{
.output_pins =
{
BSP_LED_0 | NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED, // channel 0
BSP_LED_2 | NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED, // channel 1
BSP_LED_3 | NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED, // channel 2
BSP_LED_1 | NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED // channel 3
},
.irq_priority = APP_IRQ_PRIORITY_LOWEST,
.base_clock = NRF_PWM_CLK_125kHz,
.count_mode = NRF_PWM_MODE_UP,
.top_value = 15625,
.load_mode = NRF_PWM_LOAD_INDIVIDUAL,
.step_mode = NRF_PWM_STEP_AUTO
};
APP_ERROR_CHECK(nrf_drv_pwm_init(&m_pwm0, &config0, NULL));
每路PWM硬件模块支持4个channel，nrf_drv_pwm_config_t中：
- output_pins：映射PWM输出的pin脚号（spec上硬件的定义如P0.00，P0.01，00，01就是pin脚号，开发板中4个LED用的p0.17 - p0.20端口, 对应的pin脚号就是17-20）；如果对应的通道没有硬件连接就使用NRF_DRV_PWM_PIN_NOT_USED。每个通道可以使用NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED来设置空闲引脚的电平为高电平，不使用时空闲引脚的电平为低电平
- irq_priority：定义中断优先级，一般不使用；
- base_clock定义PWM的时钟，从16M的clock分频而来，最高16MHZ，最低125kHz， 这个非常重要，每个clock多长时间来计算cycle持续多长时间；
- count_mode：有两种，一种是NRF_PWM_MODE_UP和NRF_PWM_MODE_UP_AND_DOWN。NRF_PWM_MODE_UP边沿对齐，NRF_PWM_MODE_UP_AND_DOWN中心对齐。两者区别如图2和图3所示；
- top_value：定义PWM的每个duty cycle中clock的最大个数；
- load_mode：后面sequnce的装载方式，是每个通道独立加载，还是所有通道共享一个，还是分组；
- step_mode：定义下一个cycle的进行方式，一般用NRF_PWM_STEP_AUTO，还有一种trigger模式。
图2
图3
4. 定义sequence数据
static nrf_pwm_values_individual_t /*const*/ seq_values[] =
{
{ 0x8000, 0, 0, 0 },
{ 0, 0x8000, 0, 0 },
{ 0, 0, 0x8000, 0 },
{ 0, 0, 0, 0x8000 }
};
先定义每个通道的占空比，通过clock数来定义，不能超过top_value。如果四个通道均使用，则每个数组均有4个人duty cycle数据，至少有一组数据，如{ 0x8000, 0, 0, 0 }，通道1的cycle数是0x8000，2-4均为0。根据需要，可以使用不同的占空比来形成一个序列，示例中就定义了4个序列，seq_values的size为4。每个通道使用独立数据，则在config中用.load_mode = NRF_PWM_LOAD_INDIVIDUAL。
如果所有的通道共用一个sequence数据，则需要使用nrf_pwm_values_common_t，实际就是uint16_t，则在config中用.load_mode = NRF_PWM_LOAD_COMMON。
nrf_pwm_sequence_t const seq =
{
.values.p_individual = seq_values,
.length = NRF_PWM_VALUES_LENGTH(seq_values),
.repeats = 0,
.end_delay = 0
};
nrf_pwm_sequence_t中，
- values：前面的定义的占空比数据，通道独立数据初始化values.p_individual ，共用一个数据则初始化.values.p_common;
- length：通过宏NRF_PWM_VALUES_LENGTH自动计算数据长度
- repeats：每个duty cycle重复的次数，注意是每个duty cycle！不是重复sequece。如{ 0x8000, 0, 0, 0 }，在repeats为2的情况下最后PWM生效的数据为，channel 1的duty cycle为0x8000，0x8000，第2-4的duty cycle为0，0
- end_delay: 每个sequence中，最后一个duty cycle重复的次数，如通道1的duty cycle为 {0x8000, 0}，在end_delay为4的情况下，最后PWM的生效数据为：{0x8000, 0，0，0，0，0}
5. 触发PWM
(void)nrf_drv_pwm_simple_playback(&m_pwm0, &seq, 1, NRF_DRV_PWM_FLAG_LOOP);
通过play_back来触发PWM，第三个参数为播放的次数，最后一个参数定义模式，NRF_DRV_PWM_FLAG_LOOP为永远重复，NRFX_PWM_FLAG_STOP播放定义的次数后结束，还有其他的模式定义起始seq等（最多可以有两个seq）。
6. 完整的代码
static void pwm_demo(void)
{
nrf_drv_pwm_config_t const config0 =
{
.output_pins =
{
BSP_LED_0 | NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED, // channel 0
BSP_LED_2 | NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED, // channel 1
BSP_LED_3 | NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED, // channel 2
BSP_LED_1 | NRF_DRV_PWM_PIN_INVERTED // channel 3
},
.irq_priority = APP_IRQ_PRIORITY_LOWEST,
.base_clock = NRF_PWM_CLK_125kHz,
.count_mode = NRF_PWM_MODE_UP,
.top_value = 15625,
.load_mode = NRF_PWM_LOAD_INDIVIDUAL,
.step_mode = NRF_PWM_STEP_AUTO
};
APP_ERROR_CHECK(nrf_drv_pwm_init(&m_pwm0, &config0, NULL));
static nrf_pwm_values_individual_t /*const*/ seq_values[] =
{
{ 0x8000, 0, 0, 0 },
{ 0, 0x8000, 0, 0 },
{ 0, 0, 0x8000, 0 },
{ 0, 0, 0, 0x8000 }
};
nrf_pwm_sequence_t const seq =
{
.values.p_individual = seq_values,
.length = NRF_PWM_VALUES_LENGTH(seq_values),
.repeats = 0,
.end_delay = 0
};
(void)nrf_drv_pwm_simple_playback(&m_pwm0, &seq, 1, NRF_DRV_PWM_FLAG_LOOP);
}
*注：copy自examples/peripheral/pwm_driver/main.c中的demo5
其他的各种使用demo参考SDK中examples/peripheral/pwm_driver/main.c
PWM输出波形的影响因素
1. 影响PWM输出的波形有config和sequence两个定义。
nrf_drv_pwm_config_t const config =
{
.base_clock,
.count_mode,
.top_value,
};
nrf_pwm_sequence_t const seq =
{
.values,
.repeats,
.end_delay
};
说明：
- base_clock：定义基准始终，从16MHz到125kHz，每个clock的时间为 1/base_clock，如NRF_PWM_CLK_125kHz，则每个clock的时间为 1/（125 * 1000） = 0.008ms
- count_mode：NRF_PWM_MODE_UP模式，则每个duty cycle的总时间为：top_value * （ 1 / base_clock)，如果NRF_PWM_MODE_UP_AND_DOWN模式，则每个duty cycle的总时间为：2 * top_value * （ 1 / base_clock)，如图2 图3
- top_value：每个cycle总的clock数，一个cycle的总时间为：top_value * （ 1 / base_clock)
- values: sequence的定义，每个duty cycle中，有效的clock数
- repeats：每个duty cycle重复的次数
- end_delay：最后一个duty cycle的重复的次数
如一组定义：
{
.base_clock = NRF_PWM_CLK_125kHz,
.count_mode = NRF_PWM_MODE_UP,
.top_value = 1000,
.values = {1000, 0} //一个100%的占空比，一个0%的占空比
.repeats = 0,
.end_delay = 0
}
该组的波形为：
图3
如一组定义：
{
.base_clock = NRF_PWM_CLK_125kHz,
.count_mode = NRF_PWM_MODE_UP,
.top_value = 1000,
.values = {1000, 0} //一个100%的占空比，一个0%的占空比
.repeats = 2,
.end_delay = 0
}
该组的波形为：
图4
如一组定义：
{
.base_clock = NRF_PWM_CLK_125kHz,
.count_mode = NRF_PWM_MODE_UP,
.top_value = 1000,
.values = {1000, 0} //一个100%的占空比，一个0%的占空比
.repeats = 0,
.end_delay = 2
}
该组的波形为：
图5
2. 官方demo中duty cycle 值为0x8000的调查
官方SDK中examples/peripheral/pwm_driver/main.c示例中，nrf_pwm_sequence_t中的duty cycle数值均用0x8000，一直百思不得其解。不同的例子，有的LED为200ms，有的为250ms，但duty cycle均采用0x8000，并且都能工作。why？
看到nrf_pwm_configure的源码中有个assert，NRFX_ASSERT(top_value <= PWM_COUNTERTOP_COUNTERTOP_Msk)，进一步调查发现PWM_COUNTERTOP_COUNTERTOP_Msk定义为0x7FFF。也就是COUNTERTOP是个14位的寄存器，查看官方spec验证了这一想法。
实际上top_value的最大值是0x7FFF，所以nrf_pwm_sequence_t的每个duty cycle值也不应该大于0x7FFF。0x8000刚好比最大值大1，无论top_value是多少，都是占空比100%。猜测，如果设置的值大于0x7FFF，系统应该会自动将其置为0x7FFF。在示例中，将0x8000替换为0x9000，0xA000均能工作，算是做了一个验证。
__STATIC_INLINE void nrf_pwm_configure(NRF_PWM_Type * p_reg,
nrf_pwm_clk_t base_clock,
nrf_pwm_mode_t mode,
uint16_t top_value)
{
NRFX_ASSERT(top_value <= PWM_COUNTERTOP_COUNTERTOP_Msk);
p_reg->PRESCALER = base_clock;
p_reg->MODE = mode;
p_reg->COUNTERTOP = top_value;
}
#define PWM_COUNTERTOP_COUNTERTOP_Msk (0x7FFFUL << PWM_COUNTERTOP_COUNTERTOP_Pos) /*!< Bit mask of COUNTERTOP field. */
Spec中COUNTERTOP的寄存器定义：
图6
3. COUNTERTOP的限制进一步思考
既然top_value的最大值是0x7FFF（十进制32768），sequence中的值也应该均比0x7FFF小。对于一个base_clock为 NRF_PWM_CLK_125kHz的PWM来说，最大的cycle时间为：32768 * （ 1 / 125000） = 262.144ms。如果需要一个cycle time为1秒的波形该怎么办呢？这时得动用repeats来拓展了。将top_value设为250ms极为 250 / 0.008 = 31250。将repeats设为4，即为250*4 = 1秒了。也可以组合end_delay实现各种不同的波形。
在官方的例子中都是一个占空比100%（values值0x8000），一个占空比为0%的波形（values值0）。可以将top_value设置为小于32768，values中的值设置成0-32768，即可调整占空比。
总结
PWM虽然简单，但是对一个平台来说都有自己的特色。调试下来，对文档中说得不够清楚的，有些古怪的地方还是要调查一下，会对这个点的理解更深入一些。
