mBlock & Arduino（3）利用按鍵控制 Scratch 貓咪 << 前情

在〈mBlock & Arduino（2）點亮外接 LED〉中談過，Arduino 中的 D0 到 D13 可以做為數位輸出／輸入腳位，如果我們想輸出類比訊號呢？例如，想要 2V、2.5V、3.5V 之類的的電壓輸出，而不是只有高電位的 5V 與低電位的 0V 選擇。

在 Arduino 上的 A0 到 A5 腳位，似乎有 ANALOG 字樣，不過仔細看是 ANALOG IN，也就是 A0 到 A5 腳位，是用來接收類比訊號之用，不是用來輸出類比訊號。

如果想要在 Arduino 上輸出類比訊號，也是用數位腳位來做，不過，數位腳位不是只有高電位與低電位嗎？怎麼做出類比訊號的效果？

認識 PWM

PWM 全名 Pulse Width Modulation，可譯為脈衝寬度調變，所謂調變，基本上是指將想傳送的訊號編碼至一個載體（Carrier），舉例來說，我們的 AM（Amplitude modulation） 廣播，就廣播站台將音樂（訊號）編碼在指定的頻率（也就是載體）之中。

PWM 是使用高、低電壓時間週期來為訊號編碼，以模擬類比訊號為例，基本原理是若在一個時間周期中，50% 的時間輸出高電位 5V，而 50% 輸出的時間輸出低電位 0V，那麼就整個時間周期來說，平均電壓可視為 2.5V，類似地，如果 90% 的時間輸出高電位 5V，那麼就整個時間周期來說，平均電壓可視為 4.5V，若 10% 的時間輸出高電位 5V，那麼就整個時間周期來說，平均電壓可視為 0.5V。

輸出高電位時間的百分比，稱之為 Duty cycle，許多 Arduino 的介紹中若談到 PWM，都會引用 Arduino – PWM 的這張圖，以便瞭解 Duty cycle，以及 analyWrite 之意義：

稍後我們再來談 analogWrite。若想使用 PWM 模擬類比訊號輸出，單只是知道 Duty cycle 還不夠，如果你頻率不夠快，例如像〈mBlock & Arduino（2）點亮外接 LED〉一秒高電位、一秒低電位的，那麼，你也只會看到 LED 一亮一暗的，也就是說，PWM 最基本的兩個參數是 Duty cycle 與時脈周期（Clock cycle），後面會有個範例，使用 Arduino 的 PWM 腳位並調整 Duty cycle（時脈周期由 Arduino 控制），你的 LED 就可以由暗漸亮，就像調整可變電阻一樣。

程式實作的 PWM

瞭解了 PWM 的基本原理，那麼先來使用程式實作 PWM（Bit-banging PWM），在 mBlock 中，最基本的方式，是使用等待方塊來實作 Duty cycle 與時脈周期，例如：

這樣就實作出 Duty cycle 為 90%，而頻率為 2 Hz 的 PWM，實際測量結果，電壓約是在 4V 左右跳動，如果你將兩個輸出的 0、1 對調，那實際測量結果，電壓約是在 1V 左右跳動，實際接上 LED 的話，因為頻率不大，LED 還是一閃一閃，看不太出類比模擬的效果。

這是因為 mBlock 的等待方塊可設定的等待值沒辦法太小（如果使用 Arduino 官方語言，可以使用 delayMicroseconds 這個可達微秒的函式），只能稍微模擬出這樣的效果，實際上使用等待方塊，還有無法多工的缺點，我們另外使用 mBlock 可至毫秒的計數器來實作一個，首先，我們先在「資料和指令」中「新增積木指令」：

這個積木指令主要是用來設置一些變數，而這些變數，會用來計算指定的腳位之輸出：

dutyCycle 在這邊是使用百分比指定的，程式會依據 dutyCycle 的設定，決定指定的數位腳位何時高電位、何時低電位，從這兩張圖來看，頻率被我設定為 20 Hz。

只要綠旗一被點下，這個模擬 PWM 的迴圈就會一直進行，為了能看出亮度變化效果，我另外設置了一個迴圈：

這個迴圈就只是不斷改變 Duty cycle，如果接下 LED，這時能看到 LED 會有亮度的差別：

當然，頻率還不夠快，因此還是會看出 LED 閃爍，不過大致可看出 Duty cycle 設置為不同的值，LED 亮度有所差別。

Arduino 的 PWM 腳位

在 Arduino 的數位腳位旁，如果標示有 ~ 符號，表示那個腳位可用為 PWM 輸出腳位，分別是 D3、D5、D6、D9、D10、D11 腳位，可以使用 analogWrite 函式來設置 Duty cycle 的值，這個函式可用來控制 Arduino 板子上的硬體 PWM，可設置的值為 0 ~ 255，如方才所看到的 PMW 說明圖片，0 為 0% 的 Duty cycle，64 為 25%，127 為 50%，依此類推，在 mBlock 中，則是使用「設置 PWM …」這個方塊：

這個程式設置 D6 腳位使用 PWM 輸出，你可以實際接上 LED，看看亮度的變化情況：

Arduino 板子上的 PWM，實際上有三個計時器，分別控制著兩個 PWM 腳位，如果你想做更多的控制，像是不只能設置 0 ~ 255 的 Duty cycle，不過 mBlock 沒有直接的指令可以控制，如果你有興趣，可以使用 Arduino 的官方語言，並參考 Secrets of Arduino PWM 這篇文章。

後續 >> mBlock & Arduino（5）可變電阻、ADC 與節拍器