常用的调光技术之脉冲宽度调制(PWM)

电容触摸技术作为一种实用、时尚的人机交互方式，已经被广泛的应用到各种电子产品，小到电灯开关，大到平板电脑、触摸桌等。随之而来的是考验产品设计者如何发挥智慧，在把产品用户界面设计得方便简洁的同时，又能呈现产品绚丽的外观，从而带来良好的用户体验。

LED显示由于界面友好，可以实时反映触摸的位置信息，在电容触摸产品设计中得到广泛应用。本设计正是利用了大量的LED来实现呼吸灯、轨迹灯的特效，可以为例如灯光、音量、温度等带有调节功能的产品提供设计参考。

德州仪器的MSP430系列单片机以低功耗和外设模块的丰富性而著称，而针对电容触摸应用，MSP430的PIN RO电容触摸检测方式支持IO口直接连接检测电极，不需要任何外围器件，极大的简化了电路设计，而本设计文档中使用的MSP430G2XX5更支持多达32个IO口，可驱动24个以上的LED灯，达到理想的显示效果。德州仪器的电容触摸软件库支持电容按键的信号检测以及转轮坐标的计算，通过软件库相关参数的配置以及函数的调用就可以得到当前触摸事件的位置值，可以参考德州仪器的触摸按键软件库获得详细介绍。

当用户在转轮上做滑动操作，LED的轨迹显示应该是N个灯同时被点亮，手指所在位置的灯最亮，之前滑过的轨迹上的灯一个比一个暗，N的数值由操作者滑动的速度决定，如果滑的速度够快，24个LED灯会同时被点亮，只是亮度不同。

在滑动很快的操作时会带来一个问题，电容按键扫描的周期跟不上滑动的速度，导致坐标的变化不是连续的，结果就是LED的轨迹不连贯，在连续的N个LED中有部分没有被点亮。为了解决这个问题需要在转轮坐标计算后加入一个插值算法，在用户操作过快的时候对被漏掉的坐标进行补值，使得LED的轨迹连续。插值的方法可以通过当前位置和上一次位置的比较，决定是否要进行插值，这里需要设置一个插值门限InterpolationThreshold，当位置跳动距离超过门限就不进行插值，反正误操作产生。

在电路中，我们通常面临高电平和低电平的选择。点亮一个LED灯，只需为其提供正极高电压;而要熄灭它，则只需移除正极电压。然而，当我们引入时间因素时，事情就变得有趣了。PWM的工作方式正是基于这种时间概念的理解。

在日常生活中，我们往往默认LED是持续点亮的，这可以理解为在一个周期时间内，LED始终处于高电平点亮状态。然而，PWM却有所不同。它巧妙地利用了周期时间，让LED在周期内仅部分时间点亮，其余时间则熄灭。这种精确的时间控制，使得 PWM通过在周期内精确控制高电平和低电平的时间比例来实现对LED亮度的精细调节，在电子领域中发挥着至关重要的作用。

接下来，让我们深入探讨PWM的工作原理。在PWM技术中，高电平和低电平的切换并不是瞬间完成的，而是在一个特定的周期内进行。这个周期通常被划分为两部分：一部分是LED点亮的时间，另一部分则是LED熄灭的时间。通过调整这两部分时间的长短，我们可以精确地控制LED的亮度。这种对时间的精细操控，正是PWM技术的核心所在。

在PWM的工作周期内，电平的变化遵循一定的规律。以一个完整的T周期为例，其中一半时间是高电平，另一半时间是低电平。这意味着在T1周期内，电流的流通时间仅占一半，而另一半时间则没有电流。根据电流的定义，即单位时间内通过导体横截面的电量，我们可以推导出在t等于T/2时，电流值是相等的;而当t等于T时，电流I(b)仅为I(a)的一半。这种电流的变化模式，在PWM波形图中可以清晰地看到，当占空比为50%时，就形成了这种高电平与低电平各占一半的波形。 占空比的概念由此产生，其计算公式为：占空比 = (高电平持续时间 / 周期时间) 100%。通过动态调整高电平的持续时间，即调整占空比，PWM技术能够在每个周期内输出不同大小的电流，从而实现精确的亮度控制。在实际应用中，我们通常不使用I = q / t公式来计算PWM的电流，而是采用I(pwm) = I(max) D的公式，其中D即为占空比。

脉冲宽度调制(PWM)是一种常用的调光技术，它通过改变脉冲的宽度来控制LED灯的亮度。这种技术因其高效、节能和易于控制的特点，在LED调光领域得到了广泛的应用。

PWM的基本原理，PWM是一种模拟信号的数字表示方法，它通过周期性地打开和关闭信号来模拟一个连续的信号。在LED调光中，PWM通过控制LED的开关频率和占空比(即LED在每个周期内亮的时间比例)来调整亮度。

PWM调光的优势，节能 ：PWM调光可以减少LED的功耗，因为它只在需要时才提供能量。精确控制 ：PWM可以提供非常精确的亮度控制，适合需要精细调节的应用。长寿命 ：由于PWM调光减少了LED的热应力，因此可以延长LED的使用寿命。兼容性 ：PWM调光技术可以与现有的电子设备兼容，无需复杂的电路更改。

PWM调光的实现，硬件选择 ：选择合适的微控制器或专用的PWM调光芯片，这些设备能够产生所需的PWM信号。软件编程 ：编写程序来控制PWM信号的频率和占空比，以达到所需的亮度。电路设计 ：设计电路以确保PWM信号能够正确地驱动LED，包括使用适当的驱动器和保护元件。

PWM调光的应用场景，室内照明 ：在家庭和办公室照明中，PWM调光可以提供舒适的光线调节。街灯照明 ：在街道照明中，PWM调光可以根据不同时间段调整亮度，节省能源。汽车照明 ：在汽车中，PWM调光可以用于前大灯和内饰灯，提供更好的照明效果。舞台灯光 ：在舞台和娱乐场所，PWM调光可以创造出动态的灯光效果。

PWM调光的挑战，电磁干扰 ：PWM信号可能会产生电磁干扰，需要采取措施减少对其他电子设备的干扰。视觉闪烁 ：如果PWM频率不够高，人眼可能会感知到闪烁，需要确保PWM频率高于人眼的感知阈值。成本问题 ：实现PWM调光可能需要额外的硬件和软件成本，需要在成本和效益之间找到平衡。

PWM调光技术以其高效、节能和精确控制的特点，在LED调光领域扮演着重要的角色。随着技术的进步和成本的降低，PWM调光的应用将越来越广泛，为节能和照明控制提供更多的解决方案。