基于Arduino平臺(tái)的pulseIn()函數(shù)研究

景蕾

摘? ?要：隨著無(wú)線電遙控技術(shù)的迅猛發(fā)展，日常生活已經(jīng)越來(lái)越離不開(kāi)無(wú)線電遙控，如遙控監(jiān)視、報(bào)警、航模等。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，航模遙控器將操作者的指令以脈位調(diào)制信號(hào)的形式發(fā)出，而后解析成對(duì)應(yīng)通道的脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的控制，從而完成航模基本功能控制。因此，脈寬調(diào)制信號(hào)中高電平的幅度和占空比的測(cè)量精度直接影響了航模的控制精度。文章通過(guò)研究給出了Arduino內(nèi)置pulseIn（）函數(shù)的測(cè)試方法，并借助示波器得到了各通道脈寬調(diào)制信號(hào)實(shí)測(cè)結(jié)果，通過(guò)算法測(cè)量與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了pulseIn（）函數(shù)測(cè)試算法，對(duì)后續(xù)應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：Arduino;占空比;pulseIn函數(shù)

1? ? Adruino開(kāi)發(fā)平臺(tái)

1.1? Arduino開(kāi)發(fā)板和Arduino? IDE

Arduino[1-2]是一款便捷、靈活、入門簡(jiǎn)單的開(kāi)源電子開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它包含硬件（各種型號(hào)的微處理器、Arduino控制板）和軟件（編程接口、Arduino IDE）兩部分。通過(guò)搭載各種類型傳感器，例如溫濕度傳感器、超聲波傳感器、霍爾傳感器等，Arduino可以方便地獲取各類環(huán)境信息，并通過(guò)使用各類開(kāi)源庫(kù)函數(shù)，輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、融合、處理和輸出，最終滿足設(shè)計(jì)者的需要。Arduino安裝目錄下自帶了很多標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，通過(guò)使用這些標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，函數(shù)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)科學(xué)的封裝，使得用戶只要通過(guò)操作頂層簡(jiǎn)單的函數(shù)，就可以直接實(shí)現(xiàn)某種功能。

1.2? Arduino? UNO

Arduino UNO是Arduino系列開(kāi)發(fā)平臺(tái)中的一個(gè)重要版本，也是從事Arduino開(kāi)發(fā)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考模板。UNO使用ATmega328單片機(jī)作為主控芯片，具有20路輸入/輸出端口，端口最大驅(qū)動(dòng)能力40 mA，包含14路（0～13引腳）數(shù)字輸入/輸出端口，6路（3，5，6，9，10，11引腳）可直接作為脈寬調(diào)制（Pulse-Width modulationtion，PWM）輸出，6路（A0～A5）10位模擬輸入/輸出端口，同時(shí)還包含一個(gè)ICSP header、一個(gè)復(fù)位按鈕、一個(gè)SPI接口、一個(gè)兼容串口和IIC接口。

2? ? 航模遙控器信號(hào)

操作者通過(guò)遙控器發(fā)射控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)接收機(jī)接受處理后，送給Arduino控制板進(jìn)行處理，可以完成電機(jī)控制、燈光控制、液晶顯示等諸多功能。因此，掌握Arduino對(duì)遙控接收機(jī)信號(hào)的捕獲和處理顯得尤為重要。

部分航模遙控器是通過(guò)將遙控的控制桿信號(hào)或撥動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后形成周期為20 ms的脈位調(diào)制（Pulse Position Modulation，PPM）[3]信號(hào)，并使用2.4 GHz頻率的載波調(diào)制后發(fā)送給接收機(jī)，接收機(jī)將接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波、解調(diào)，形成占空比可變的、周期為20 ms的各控制通道的脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）[4]信號(hào)。PWM信號(hào)的高電平時(shí)間（以ms為單位）對(duì)應(yīng)著遙控器控制桿的行程，其值范圍1 000～2 000不等，實(shí)際操作時(shí)，當(dāng)遙控器控制桿在最低端，接收機(jī)輸出值為1 000/20 000左右，即占空比為5%左右的PWM信號(hào);當(dāng)控制桿在最高端，其輸出值為2 000/20 000，即占空比為10%左右的PWM信號(hào)，控制桿中間的值對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)占空比在最低和最高占空比之間。

接收機(jī)將遙控的各通道控制信號(hào)解析后，送到Arduino開(kāi)發(fā)板的模擬信號(hào)接收引腳進(jìn)行后續(xù)的處理。

本文以Arduino UNO控制板為例，對(duì)遙控器接收機(jī)信號(hào)進(jìn)行實(shí)際解析。

遙控器接收機(jī)各通道連接在UNO的模擬端口上。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)Arduino的pinMode（）內(nèi)置函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)模擬引腳的輸入設(shè)置。void pinMode（uint8 pin， WiringPinMode mode）函數(shù)有兩個(gè)參數(shù)：pin為引腳編號(hào)。mode為引腳的輸入輸出模式，即INPUT和OUTPUT。

遙控器各通道的控制信號(hào)，最終以PWM信號(hào)的形式被UNO的主控芯片讀取，其控制量的大小取決于PWM信號(hào)中高電平的幅度和占空比。因此，在對(duì)模擬的模式進(jìn)行設(shè)置后，需要進(jìn)一步獲取PWM信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間，以便計(jì)算出輸出端的控制信號(hào)大小。假設(shè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的PWM信號(hào)幅值為A，其信號(hào)周期為T，高電平時(shí)間為t。將其轉(zhuǎn)化為模擬×信號(hào)的有效值A(chǔ)V=A×，AV值的大小將直接決定輸入端口的驅(qū)動(dòng)能力大小。

Arduino內(nèi)置函數(shù)pulseIn（pin， value， timeout），pin為想要讀取的引腳的標(biāo)號(hào)，value為想要讀取的是高電平時(shí)間還是低電平時(shí)間，timeout表示一次脈沖所持續(xù)的微秒數(shù)，如果在timeout時(shí)間內(nèi)脈沖沒(méi)有結(jié)束，則函數(shù)返回0，正常情況返回高低電平持續(xù)時(shí)間，單位為ms（10 ms～3 min）。因此，利用pulseIn（）函數(shù)，用戶可以很輕松地獲取到某個(gè)引腳的高低電平時(shí)間。

3? ? pulseIn（）函數(shù)測(cè)試

本文對(duì)該函數(shù)的輸出結(jié)果進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試平臺(tái)的搭建包括：某型遙控（含接收機(jī)）一部，500 MHz示波器一臺(tái)。

將接收機(jī)和Arduino UNO連接好后，用pulseIn（）函數(shù)測(cè)試遙控器3通道搖桿最低點(diǎn)、中點(diǎn)、最高點(diǎn)的輸出值，通過(guò)IDE自帶的串口監(jiān)視器觀察其輸出值。

將3通道搖桿拉至最低，使用pulseIn（）函數(shù)得到高電平時(shí)間為992 μs;使3通道搖桿自回中，pulseIn（）函數(shù)得到高電平時(shí)間為1 505 μs;將3通道搖桿拉至最高，pulseIn（）函數(shù)的到高電平時(shí)間為2 008 μs。使用pulseIn（）函數(shù)測(cè)量的同時(shí)，將3通道的輸出信號(hào)連接到示波器，得到上述3種情況的波形圖。從圖1可以看到，搖桿最低時(shí)，值為1.00 ms;從圖2可以看到，自回中時(shí)，值為1.51 ms;從圖3可以看到，搖桿最高時(shí)，值為2.02 ms。由3次結(jié)果可以看出，PWM波形存在27 μs的上升時(shí)間和30 μs的下降時(shí)間，其誤差范圍在10-3 ms級(jí)上。

通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果可知，如果用pulseIn（）函數(shù)進(jìn)行較高頻率周期信號(hào)測(cè)量，在進(jìn)行信號(hào)上升沿和下降沿的處理時(shí)，會(huì)存在一定誤差。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于Arduino平臺(tái)的常見(jiàn)遙控器信號(hào)進(jìn)行了解析，給出了函數(shù)pulseIn（）的測(cè)量方法，并對(duì)Arduino內(nèi)置函數(shù)pulseIn（）進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，結(jié)合500 MHz示波器數(shù)值得到了測(cè)量值，對(duì)后續(xù)Arduino平臺(tái)的pulseIn（）函數(shù)應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

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