[小众玩法]莓派硬件输出PWM控制风扇转速

ahyu99

为了将数据上传到云服务器上，同时将云服务器的数据/指令接收回来，考虑到编程的方便性、性能和功耗，最终选择了树莓派Zero W来作为中转系统。

系统比较简单：由一个nRF24L01模块传输模块和一个DS18B20温度传感器组成。外加一个DC-DC模块，用洞洞板焊接起来，放在客厅进户的弱电箱上。整个系统的最大功耗大概在1W左右，正常情况下，0.6W左右。
10年前装修的房子，那个时候没有预见到现在的网络发展速度会这么快。所以，弱电箱太小了，放不下现在所有的网络设备。只好买了一个支架，自己改装了一下，将12V开关电源模块、一个光猫、一个路由器、一个移动硬盘，再加上这个系统放在了一起，看起来不那么太凌乱。整体效果如图所示。



装修的时候在弱电箱里面留了220V电源接头的，12V4.3A的开关电源模块给光猫、两个路由器（其中一个是通过不用的闭路电视线给书房路由器供电）、本树莓派系统供电。下图是洞洞板组合起来的树莓派系统。放在支架的顶部位置。


中间那个铝箔包裹起来的就是树莓派zero W。左侧带有天线的是nRF24L01模块，左侧下面是 DC-DC模块，12V转5V。右边木头盒子就是自己做的风扇支架。右侧下面还有一个小模块就是风扇驱动模块。
这个系统，已经运行有3年多了，稳定性还是可以的，不过，第一个夏天太热的时候，发现树莓派的CPU温度能够达到55度以上，所以有时候就热死掉了。后来加上一个CPU风扇，直接使用电源12V，风扇对着树莓派吹风，温度还是可以的，基本上比室温高出一个5度左右。冬天的时候就不需要风扇了，然后就把风扇插头拔了。


除了要手动拔插风扇外，全速运行的风扇，噪音还是有点大的，特别是晚上，声音更明显。还有一个原因：风扇吹了一个夏天，发现树莓派上，特别是正对着风扇的那一面，有许多的油腻垢！所以现在就用了一块铝箔纸包裹了起来（里面有一层绝缘的塑料），清理的时候方便一点。

现在的目的就是做个风扇调速，并且自动控制其转速。手动的拔插，毕竟还是不方便。

因为手头现有的风扇是AMD的原装3线CPU风扇，没有调速功能，只能自己做一个调速模块了，在网上找了一个电路图，上次在给电脑换前面板的时候，搭载一起给做了PCB，切割下来，自己焊接好，测试了一下，效果还是可以的。在PWM占空比50%的时候，风扇启动完全没有问题。但是低于35%的占空比就需要手动拨动一下风扇叶片才能旋转。所以安全起见，就选择50%占空比为最低的转速控制。下图是模块已经安装好的情况。

左侧有个插座，那个是原来的没有调速的风扇接口，右侧是现在的风扇输出接口。


接下来就是怎么生成PWM了，本着少花钱多办事的原则，将树莓派系统功能尽可能发挥出来，就直接用树莓派生成PWM，硬件上改动最小。在网上看到许多都是用软件延时的方式来实现软PWM，虽然简单，但是，CPU的占用可以高达10%左右，显然不合算。

因为要使用PWM，下面就对树莓派zero的CPU（BCM2835）的PWM功能多描述一点。
BCM2835 包含 2 个独立的 PWM 通道（0 和 1），可以在几个特定的 GPIO 引脚上支持硬件 PWM输出。
在BCM2835的文档中，关于PWM的输出引脚，有下面的一个表格：

	PWM0	PWM1
GPIO 12	Alt Fun 0	-
GPIO 13	-	Alt Fun 0
GPIO 18	Alt Fun 5	-
GPIO 19	-	Alt Fun 5
GPIO 40	Alt Fun 0	-
GPIO 41	-	Alt Fun 0
GPIO 45	-	Alt Fun 0
GPIO 52	Alt Fun 1	-
GPIO 53		Alt Fun 1

从上面的表格中可以看出，为了让 GPIO 引脚输出 PWM，必须设置为上面给出的 Alt 功能。至于有哪些GPIO，与树莓派的版本有关。例如我的 树莓派zero，借用网络的图片，其形状和引脚如下图。

就有上面表格中的前面4个GPIO口可以输出PWM，因为我只需要1路PWM，所以就选择其中的一个GPIO就可以了。根据我的洞洞板上焊接的情况，就近选择了GPIO 13，即物理引脚33来输出PWM。就是图中红色框标记的那个引脚。从上面的表格还可以看出，必须使用该引脚的Alt功能0 。

两个 PWM 通道都由相同的 PWM 时钟驱动，但可以有不同的工作模式和输出频率。每个 PWM 通道都可以在Balanced 或者Mark-Space 模式下运行。在Mark-Space 模式下，硬件将 DATA 时钟脉冲的输出设置为高电平，然后为 RANGE-DATA 时钟脉冲设置为低电平。比较好理解，所以就选择Mark-Space 模式运行。

PWM 时钟源是 19.2MHz 时钟。由预分频器分频后，然后再除以“RANGE ”即得到实际的输出频率。 例如，希望CPU风扇调速PWM工作于25kHz左右，那么先预分频为2，得到的频率为 9.6MHz。再设置RANGE 为 400， 理论上，输出的频率为 24kHz。实际上用示波器测量当RANGE = 400时，输出频率为 23.81kHz。满足CPU风扇的工作条件。

占空比的选择，就在0-400之间变化。例如需要50%占空比，那么设置数据为 (400 * 50)/100。需要70%占空比，那么设置数据为 (400 * 70)/100就可以了。

当然，直接去读些寄存器，未免有点难了，好在有封装好的库可以用。这个是封装库的详细情况和下载地址。
http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/index.html
当前版本是bcm2835  1.69，下载了这个库，并且编译安装了，然后参照它给的例子写一个简单的C语言代码，就可以输出PWM波形了。


通过对BCM2835的寄存器编程，完全可以实现硬件方式的PWM，除了在设置寄存器的时候占用CPU外，输出PWM的时候，几乎不占用CPU的时间。

基本的代码功能解释如下：

1. <font size="4">// BCM PIN13, 物理引脚33引脚输出PWM
   
2. #define PIN  RPI_V2_GPIO_P1_33
   
3. 
   
4. // 使用 PWM 通道1
   
5. #define PWM_CHANNEL 1        
   
6. #define RANGE 400        // 这个范围的作用上面已经说明 了
   
7. // 设置输出引脚为Alt Fun 0，这样才能输出PWM。
   
8. bcm2835_gpio_fsel(PIN, BCM2835_GPIO_FSEL_ALT0);
   
9. 
   
10. // 预分频 2.   可以根据自己的需要更改
    
11. bcm2835_pwm_set_clock(BCM2835_PWM_CLOCK_DIVIDER_2);
    
12.    
    
13. // 设置通道1的Mark-Space 模式
    
14. // 参数说明：第1个参数：0或者1，指定PWM通道。第2个参数：0，Balanced模式；1，Mark-Space模式
    
15. //           第3个参数：1，打开PWM功能。0：关闭PWM功能。
    
16. bcm2835_pwm_set_mode(PWM_CHANNEL, 1, 1);
    
17.    
    
18. //设置好PWM参数之一 RANGE
    
19. bcm2835_pwm_set_range(PWM_CHANNEL, RANGE);
    
20.         
    
21. // 重点：设置占空比。
    
22. bcm2835_pwm_set_data(PWM_CHANNEL, (RANGE * out_duty) / 100);</font>

复制代码

好了，用示波器就可以看到输出的指定频率和占空比的PWM波形了。

有同学肯定想要源代码，我就是在例子源代码的基础上修改输出引脚而已。 源代码在这里。
http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/pwm_8c-example.html

这个图是风扇以50%占空比旋转时候的照片。比较安静了，耳朵靠近了才能听到转动声。



这个图是通过网页看到的树莓派的简单动态信息。树莓派上安装lighttpd，然后用C语言写了CGI程序，通过Ajax方式刷新网页，就可以看到这些信息了。

后期想有时间了，还是打个PCB板，做的漂亮点，同时还用树莓派控制几个用电设备的电源通断。


====END====

our420

我的4b还没有热死掉过, 只贴了几个小散热片, 是有点热但不至于死机

kkstun

楼主下一步改进下，用esp8266代替树莓派。

renpeng009

不错不错，一个基本完善的小应用

lyy-cy

nRF24L01模块；负责什么呢？

ploestar

our420 发表于 2021-6-12 12:30
我的4b还没有热死掉过, 只贴了几个小散热片, 是有点热但不至于死机

我散热片都没贴，那是相当的烫手

ahyu99

our420 发表于 2021-6-12 12:30
我的4b还没有热死掉过, 只贴了几个小散热片, 是有点热但不至于死机

CPU频繁运行的时候，比如定时更新系统的时候，温度很高，有可能会热死。

ahyu99

kkstun 发表于 2021-6-12 15:08
楼主下一步改进下，用esp8266代替树莓派。

我是从ESP8266改过来的。我觉得玩操作系统比较过瘾。:lol:

ahyu99

lyy-cy 发表于 2021-6-12 16:04
nRF24L01模块；负责什么呢？

nRF24L01模块负责接收单片机的数据或者发送指令给单片机。
现在有个冰箱的监测器，实时记录其运行参数，并且把数据上传到树莓派后，树莓派再转发到阿里云服务器。

our420

ahyu99 发表于 2021-6-12 19:45
CPU频繁运行的时候，比如定时更新系统的时候，温度很高，有可能会热死。 ...

python3是效率低, 但是我观察过upgrade时大部分时间只用了一个核心.
源码编译scipy时占用率高, 4个核心都用上了, 而且动辄6,7个小时, 也没死过. 看了那几个小散热片管点用:lol:

kkstun

ahyu99 发表于 2021-6-12 19:49
我是从ESP8266改过来的。我觉得玩操作系统比较过瘾。

esp8266透传数据到云服务器，随便玩。

ahyu99

our420 发表于 2021-6-12 22:14
python3是效率低, 但是我观察过upgrade时大部分时间只用了一个核心.
源码编译scipy时占用率高, 4个核心都 ...

树莓派zero w 就是单核的。
我没有用python，我觉得这种小应用，再入住一个大家伙，似乎不值得。再说了，都是调用库，其它的输入输出都是差不多的，为啥不用Native code？
当然，涉及到深度学习之类的，还是用python。

ahyu99

kkstun 发表于 2021-6-12 22:53
esp8266透传数据到云服务器，随便玩。

我知道，我也试过的。觉得不如树莓派方便。
这个是操作系统，可以直接在其系统上编程运行，可以使用的资源也多。所以就换到树莓派了。
当然ESP8266也有它的优点。

our420

ahyu99 发表于 2021-6-13 08:47
树莓派zero w 就是单核的。
我没有用python，我觉得这种小应用，再入住一个大家伙，似乎不值得。再说了， ...

哦, 4b是4核的还真不知道zero是单核, 这样的话还是用c写吧, python效率太低.
其实感觉zero w跑linux都有点吃力

kkstun

ahyu99 发表于 2021-6-13 08:50
我知道，我也试过的。觉得不如树莓派方便。
这个是操作系统，可以直接在其系统上编程运行，可以使用的资 ...

我跟你想法正好相反。树莓派我也有，多年前玩的。云服务更方便，结合手机。

ahyu99

kkstun 发表于 2021-6-13 15:09
我跟你想法正好相反。树莓派我也有，多年前玩的。云服务更方便，结合手机。 ...

可能吧，个人的想法和爱好不同。各有所长。

inthsunshine

实时性恐怕不能保证

ahyu99

inthsunshine 发表于 2021-6-15 16:34
实时性恐怕不能保证

不需要太高的实时性要求。现在仅仅是上传、下达数据或者指令而已。秒级别的响应，基本上可以满足了。