Linux系统PWM应用编程

Posted 2023-03-09 行稳方能走远

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• 应用层如何操控PWM
• 编写应用程序
• 在开发板上测试

本章我们将学习如何对开发板上的PWM 设备进行应用编程。

应用层如何操控PWM

与LED 设备一样，PWM 同样也是通过sysfs 方式进行操控，进入到/sys/class/pwm 目录下，如下所示：

这里列举出了8 个以pwmchipX（X 表示数字0~7）命名的文件夹，这八个文件夹其实就对应了I.MX6U的8 个PWM 控制器，I.MX6U 总共有8 个PWM 控制器，大家可以通过查询I.MX6U 参考手册得知。

我们随便以其中一个为例，进入到pwmchip0 目录下：

在这个目录下我们重点关注的是export、npwm 以及unexport 这三个属性文件，下面一一进行介绍：
⚫ npwm：这是一个只读属性，读取该文件可以得知该PWM 控制器下共有几路PWM 输出，如下所示：

I.MX6U 每个PWM 控制器只有1 路PWM 输出，所以总共有8 路PWM，分别对应I.MX6U 的
PWM1~PWM8 这8 路输出（pwmchip0 对应PWM1，pwmchip1 对应PWM2，以此类推，开发板出厂系统中，PWM1 已经被用作LCD 背光控制了，应用层不能直接对它进行控制了；而其它PWM 均不能使用，原因在于I/O 资源不够，为了满足板子上其它外设对I/O 引脚的需求，取舍情况下只能如此！）。
⚫ export：与GPIO 控制一样，在使用PWM 之前，也需要将其导出，通过export 属性进行导出，以下所示：

echo 0 > export

0 表示一个编号，注意，每个PWM 控制器（pwmchipX）下，使用export 属性文件导出PWM 时，编号都是从0 开始；因为I.MX6U 每个控制器都只有一路PWM，所以都只能使用编号0，如下所示：

echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip0/export #导出PWM1
echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip1/export #导出PWM2
echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip2/export #导出PWM3
echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip3/export #导出PWM4
echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip4/export #导出PWM5
echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip5/export #导出PWM6

导出成功后会在pwmchipX（X 表示数字0~7）目录下生成一个名为pwm0 的目录，如图24.1.4 所示，稍后介绍。
⚫ unexport：将导出的PWM 删除。当使用完PWM 之后，我们需要将导出的PWM 删除，譬如：
echo 0 > unexport
写入到unexport 文件中的编号与写入到export 文件中的编号是相对应的；需要注意的是，export 文件和unexport 文件都是只写的、没有读权限。
如何控制PWM
通过export 导出之后，便会生成pwm0 这个目录，我们进入到该目录下看看：

该目录下也有一些属性文件，我们重点关注duty_cycle、enable、period 以及polarity 这四个属性文件，接下来一一进行介绍。
⚫ enable：可读可写，写入"0"表示禁止PWM；写入"1"表示使能PWM。读取该文件获取PWM 当前是禁止还是使能状态。

echo 0 > enable #禁止PWM 输出
echo 1 > enable #使能PWM 输出

通常配置好PWM 之后，再使能PWM。
⚫ polarity：用于设置极性，可读可写，可写入的值如下：
“normal”：普通；
“inversed”：反转；

echo normal > polarity #默认极性
echo inversed > polarity #极性反转

很多SoC 的PWM 外设其硬件上并不支持极性配置，所以对应的驱动程序中并未实现这个接口，应用层自然也就无法通过polarity 属性文件对PWM 极性进行配置，ALPHA/Mini I.MX6U 开发板出厂系统便是如此！
⚫ period：用于配置PWM 周期，可读可写；写入一个字符串数字值，以ns（纳秒）为单位，譬如配置PWM 周期为10us（微秒）：

echo 10000 > period #PWM 周期设置为10us（10 * 1000ns）

⚫ duty_cycle：用于配置PWM 的占空比，可读可写；写入一个字符串数字值，同样也是以ns 为单位，譬如：

echo 5000 > duty_cycle #PWM 占空比设置为5us

编写应用程序

通过上面的介绍，我们已经知道在应用层如何去使用PWM 外设了，本小节我们来编写一个简单的测试代码，来控制开发板上的PWM 外设，示例代码如下所示：
本例程源码对应的路径为：开发板光盘->11、Linux C 应用编程例程源码->24_pwm->pwm.c。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

static char pwm_path[100];

static int pwm_config(const char *attr, const char *val)

    char file_path[100];
    int len;
    int fd;

    sprintf(file_path, "%s/%s", pwm_path, attr);
    if (0 > (fd = open(file_path, O_WRONLY))) 
        perror("open error");
        return fd;
    

    len = strlen(val);
    if (len != write(fd, val, len)) 
        perror("write error");
        close(fd);
        return -1;
    

    close(fd);  //关闭文件
    return 0;


int main(int argc, char *argv[])

    /* 校验传参 */
    if (4 != argc) 
        fprintf(stderr, "usage: %s <id> <period> <duty>\\n",
                argv[0]);
        exit(-1);
    

    /* 打印配置信息 */
    printf("PWM config: id<%s>, period<%s>, duty<%s>\\n",
            argv[1], argv[2],
            argv[3]);

    /* 导出pwm */
    sprintf(pwm_path, "/sys/class/pwm/pwmchip%s/pwm0", argv[1]);

    if (access(pwm_path, F_OK)) //如果pwm0目录不存在, 则导出

        char temp[100];
        int fd;

        sprintf(temp, "/sys/class/pwm/pwmchip%s/export", argv[1]);
        if (0 > (fd = open(temp, O_WRONLY))) 
            perror("open error");
            exit(-1);
        

        if (1 != write(fd, "0", 1)) //导出pwm
            perror("write error");
            close(fd);
            exit(-1);
        

        close(fd);  //关闭文件
    

    /* 配置PWM周期 */
    if (pwm_config("period", argv[2]))
        exit(-1);

    /* 配置占空比 */
    if (pwm_config("duty_cycle", argv[3]))
        exit(-1);

    /* 使能pwm */
    pwm_config("enable", "1");

    /* 退出程序 */
    exit(0);

main()函数中，首先对传参进行校验，执行该应用程序的时候需要用户传入3 个参数，分别是编号（0、
1、2、3 等，分别表示I.MX6U 的PWM1、PWM2、PWM3…）、周期（以ns 为单位）、PWM 占空比（以
ns 为单位）。譬如：

./testApp 0 500000 250000

接下来需要导出pwm，首先使用access()函数判断pwm0 目录是否存在，如果存在表示pwm 已经导出，如果不存在，则表示未导出，那么就需要通过export 文件将其导出。
导出成功之后，接着配置PWM 周期、占空比，最后使能PWM。
编译示例代码：

在开发板上测试

将上小节编译得到的可执行文件拷贝到开发板Linux 系统/home/root 目录下，如下所示：

前面提到了，开发板出厂系统没法使用PWM，如果大家想要测试PWM，可以对出厂系统的内核源码进行配置、需修改设备树，禁用LCD 和backlight 背光设备（status 属性设置为disabled 即可），修改完之后重新编译设备树，用编译得到的设备树镜像文件（dtb 文件）替换掉开发板启动文件中的dtb 文件。也可以参考《I.MX6U 嵌入式Linux 驱动开发指南》第七十三章内容，自行配置PWM。
这里笔者告诉大家一个简单地方法，不用重新编译设备树文件，直接把禁用LCD 和backlight 背光设备，将PWM1 腾出来给我们测试使用，直接操作呢？
首先我们需要重启开发板，进入到u-boot 命令行模式下，如下：

我们要做什么呢？其实就是去修改内核设备树文件，将LCD 和backlight 设备的status 属性修改为“disabled”，禁用这两个设备；怎么修改呢？u-boot 中提供了查看、修改设备树的命令，u-boot 启动时，会将内核设备树（dtb）拷贝到内存中，当拷贝到内存中之后呢，我们就可以去查看或修改设备树了，这里笔者直接把需要执行的命令贴出来，如下所示：
SD/eMMC 启动方式：

setenv disable_lcd 'fdt addr $fdt_addr; fdt set /backlight status disable; fdt set /soc/aips-bus@02100000/lcdif@021c8000 status disable'
下一条命令
setenv mmcboot 'echo Booting from mmc ...; run mmcargs; if test $boot_fdt = yes || test $boot_fdt = try; then if run loadfdt; then run disable_lcd; bootz $loadaddr - $fdt_addr; else if test $boot_fdt = try; then bootz; else echo WARN: Cannot load the DT; fi; fi; else bootz; fi;'

NAND 启动方式：

setenv disable_lcd 'fdt addr $fdt_addr; fdt set /backlight status disable; fdt set /soc/aips-bus@02100000/lcdif@021c8000 status disable'
下一条命令
setenv bootcmd 'nand read $loadaddr 0x620000 0x800000;nand read $fdt_addr $fdt_offset 0x20000; run disable_lcd; bootz $loadaddr - $fdt_addr'

拷贝时注意格式的问题，分为SD/eMMC 启动方式和NAND 启动方式；笔者测试用的开发板是eMMC方式启动的，在u-boot 命令行模式下执行如下命令：

执行完两条命令后，接着执行boot 命令启动开发板：

boot

Tips：这种修改方式只对本次启动生效，因为我们修改的是内存中的那份设备树文件，下一次重启开发板时将又恢复到未修改前的状态，请悉知！
系统启动之后，PWM1 就已经腾出来给我们测试使用了，此时LCD 被禁用了！
执行上小节编译得到的可执行文件：

本实验测试的是PWM1，开发板出厂系统已经将PWM1 输出绑定到了GPIO1_IO08 引脚（也就是LCD
背光引脚），该引脚已经通过开发板上的扩展口引出，如下所示：

Mini 开发板可以通过背面丝印标注的名称或原理图进行确认。
接下来使用示波器来检测GPIO1_IO08 引脚输出的PWM 波形，如下所示：

此时GPIO1_IO08 引脚输出了PWM 波形，其周期为500us（也就是500000ns），对应的频率为2KHz，占空比为50%，与我们配置的情况是一样的。