【树莓派学习】001 PWM实验

实验名称：树莓派PWM信号生成与示波器分析

实验目标

1. 通过Python编程，让树莓派生成一个可调占空比的PWM信号。
2. 用示波器捕捉并测量该PWM信号的频率和占空比，验证软件控制与硬件输出的一致性。

所需设备

1. 硬件：
   • 树莓派 (任何型号，已安装系统)
   • MacBook
   • 数字示波器
   • 面包板、LED灯、220Ω电阻、杜邦线若干
   • USB转TTL串口模块 (可选，用于串口调试)
2. 软件：
   • MacBook上的终端 (用于SSH或串口连接)
   • 树莓派上的Python3及 RPi.GPIO 库

具体步骤

第一步：硬件连接

1. 树莓派GPIO连接：
   • 将LED的正极（长脚）通过一个220Ω的限流电阻，连接到树莓派的 GPIO 18 (物理引脚12)。这是因为GPIO 18支持硬件PWM。
   • 将LED的负极（短脚）连接到树莓派的 GND (物理引脚6)。
2. 示波器连接：
   • 将示波器探头的尖端钩在 GPIO 18 引脚上。
   • 将示波器探头的接地夹夹在树莓派的 GND 引脚上。
3. MacBook连接树莓派：
   • 方法A (推荐，使用SSH)：确保MacBook和树莓派在同一个Wi-Fi下，在Mac终端输入：ssh pi@<你的树莓派IP地址>，然后输入密码。
   • 方法B (使用串口)：通过USB转TTL模块连接树莓派的UART引脚，在Mac上用 screen 命令连接。

连接示意图：

树莓派 GPIO 18 ---[220Ω电阻]--- LED(+) --- LED(-) --- GND
                 |
                 +--- (连接至示波器探头)

1. 命令行工具：pinout

这是最直接、最推荐的方法。

在你的树莓派终端中，直接输入：

pinout

这个命令会返回一个清晰的ASCII艺术图，明确标出了： - 物理引脚编号 (1, 2, 3...) - BCM GPIO编号 (GPIO 2, GPIO 3...)，这是 RPi.GPIO 库默认使用的编号。 - 电源引脚 (3.3V, 5V, GND) - 特殊功能引脚 (例如，我们实验要用到的GPIO 18)

示例输出（部分）：

   3V3  (1) ◉◉ (2)  5V
 GPIO2  (3) ◉◉ (4)  5V
 GPIO3  (5) ◉◉ (6)  GND
 GPIO4  (7) ◉◉ (8)  GPIO14
   GND  (9) ◉◉ (10) GPIO15
GPIO17 (11) ◉◉ (12) GPIO18  <-- 我们要用的引脚！
GPIO27 (13) ◉◉ (14) GND
GPIO22 (15) ◉◉ (16) GPIO23
   3V3 (17) ◉◉ (18) GPIO24
GPIO10 (19) ◉◉ (20) GND
 GPIO9 (21) ◉◉ (22) GPIO25
GPIO11 (23) ◉◉ (24) GPIO8
   GND (25) ◉◉ (26) GPIO7

从图中可以看到，物理引脚12 对应的就是 BCM GPIO 18。

2. GPIO库的Python命令

如果你已经在Python环境中，可以这样验证：

1. 在树莓派终端输入 python3 进入Python交互环境。
2. 依次输入以下命令：

   import RPi.GPIO as GPIO
   GPIO.setmode(GPIO.BCM) # 设置为BCM编号模式
   # 将GPIO 18设置为输出模式，这会初始化该引脚
   GPIO.setup(18, GPIO.OUT)
   print("GPIO 18 设置成功！")

   如果没有报错，说明GPIO 18是可用的。

第二步：创建并运行Python脚本

1. 在树莓派上，创建一个Python文件，例如 pwm_test.py：

   vi pwm_test.py

2. 将以下代码复制进去：

   #!/usr/bin/env python3
   import RPi.GPIO as GPIO
   import time
   import atexit
   
   PWM_FREQUENCY = 1000  # 频率
   PWM_DUTY_CYCLE = 50   # 占空比
   # 全局变量跟踪PWM状态
   pwm_active = False
   pwm_instance = None
   
   def cleanup_resources():
       """在程序退出时清理资源"""
       global pwm_active, pwm_instance
       if pwm_active and pwm_instance:
           try:
               pwm_instance.stop()
               pwm_active = False
               pwm_instance = None
           except:
               pass
       try:
           GPIO.cleanup()
       except:
           pass
   
   # 注册退出处理函数
   atexit.register(cleanup_resources)
   
   try:
       # 设置GPIO
       GPIO.setmode(GPIO.BCM)
       GPIO.setup(18, GPIO.OUT)
   
       # 创建并启动PWM
       pwm_instance = GPIO.PWM(18, PWM_FREQUENCY)
       pwm_instance.start(PWM_DUTY_CYCLE)
       pwm_active = True
   
       print(f"PWM已启动，频率{PWM_FREQUENCY}Hz，占空比{PWM_DUTY_CYCLE}%。按 Ctrl+C 停止程序。")
   
       # 主循环
       while True:
           time.sleep(1)
   
   except KeyboardInterrupt:
       print("\n程序被用户中断")
   
   finally:
       cleanup_resources()
       print("资源清理完成")

3. 保存并退出 (在nano中按 Ctrl+X, 然后按 Y, 最后按 Enter)。

4. 运行脚本 (需要sudo权限来访问GPIO)：

   sudo python3 pwm_test.py

   ### 硬件PWM

方法1：从源码编译安装pigpio

# 安装编译依赖
sudo apt update
sudo apt install python3-pigpio

# 下载并编译pigpio
cd ~
wget https://github.com/joan2937/pigpio/archive/refs/heads/master.zip
unzip master.zip
cd pigpio-master
make -j
sudo make install

# 启动守护进程
sudo pigpiod

#!/usr/bin/env python3
import pigpio
import time
import signal
import sys

# 硬件PWM引脚（仅GPIO12, GPIO13, GPIO18, GPIO19支持硬件PWM）
PWM_PIN = 18
FREQUENCY = 1000000  # 1MHz
DUTY_CYCLE = 500000  # 50% (范围: 0-1000000)

pi = pigpio.pi()

def cleanup(signum=None, frame=None):
    """清理资源"""
    pi.set_mode(PWM_PIN, pigpio.INPUT)
    pi.stop()
    print("\n资源清理完成")
    sys.exit(0)

# 注册信号处理
signal.signal(signal.SIGINT, cleanup)
signal.signal(signal.SIGTERM, cleanup)

try:
    # 设置硬件PWM
    pi.set_mode(PWM_PIN, pigpio.OUTPUT)
    pi.hardware_PWM(PWM_PIN, FREQUENCY, DUTY_CYCLE)

    print(f"硬件PWM已启动: GPIO{PWM_PIN}, {FREQUENCY}Hz, 50%占空比")
    print("按 Ctrl+C 停止")

    while True:
        time.sleep(1)

except Exception as e:
    print(f"错误: {e}")
    cleanup()

**方法2：gpiozero

# 安装gpiozero（通常已预装）
sudo apt install python3-gpiozero

#!/usr/bin/env python3
from gpiozero import PWMOutputDevice
import time
import signal
import sys

# 使用GPIO18（硬件PWM引脚）
pwm = PWMOutputDevice(18, frequency=1000)

def cleanup(signum, frame):
    pwm.close()
    print("\n资源清理完成")
    sys.exit(0)

signal.signal(signal.SIGINT, cleanup)

try:
    pwm.value = 0.5  # 50%占空比
    print("硬件PWM已启动: 1kHz, 50%占空比")
    print("按 Ctrl+C 停止")

    while True:
        time.sleep(1)

except Exception as e:
    print(f"错误: {e}")
    cleanup()

pwm_hw_test.py

第三步：使用示波器测量

1. 打开示波器。
2. 将探头连接到 物理引脚12 (GPIO 18) 和 GND。
3. 在示波器上执行 自动设置 或手动调整：
   • 时基：调到 500μs/div 左右，以清晰看到1kHz的周期。
   • 电压刻度：调到 1V/div 或 2V/div。
   • 触发：设置为边沿触发，源选择你连接的通道，电平调到约1.6V (3.3V的一半)。
4. 你应该能立即在屏幕上看到一个稳定的 方波。
5. 进行测量：
   • 频率：使用示波器的测量功能，选择“频率”，读数应接近 1.000 kHz。
   • 占空比：选择“占空比”测量，读数应接近 50.0%。
   • 电压：高电平应在 3.3V 左右，低电平在 0V。

软件PWM

rpi-001-expriment

硬件PWM 10MHz

rpi-001-10M-expriment

树莓派PWM频率对比

软件PWM (RPi.GPIO)

• 最高频率：约 1-10kHz (实际使用建议 ≤1kHz)
• 限制因素：Python解释器性能、系统负载
• 特点：所有GPIO都可用，但精度差、抖动明显

硬件PWM (pigpio/gpiozero)

• 最高频率：理论上可达 125MHz (树莓派4)
• 实际可用频率：通常 1kHz - 30MHz
• 支持引脚：仅 GPIO12, GPIO13, GPIO18, GPIO19

具体频率对比表

方法	最高频率	推荐频率	精度	稳定性
RPi.GPIO软件PWM	~10kHz	≤1kHz	低	差
pigpio硬件PWM	125MHz	1kHz-30MHz	极高	优秀
gpiozero硬件PWM	125MHz	1kHz-30MHz	极高	优秀
Linux PWM子系统	125MHz	1kHz-30MHz	极高	优秀

第四步：实验扩展

修改代码中的 pwm.start(50)，将 50 改为 10 (10%占空比) 或 90 (90%占空比)，重新运行程序。再次用示波器测量，你会看到波形的“高电平”部分明显变短或变长，但频率保持不变。

恭喜你！ 你已经成功地用软件生成一个精确的硬件信号，并用示波器完成了验证。这是嵌入式系统调试中最基础的技能之一。