四旋翼飞行器设计与实现

本书从四旋翼飞行器的历史和现状切入，通过阐述无人机的飞行原理、系统构成、通信协议等，向初学者介绍无人机入门的基础知识； 从实际开发和应用入手，详细介绍了自主设计的四旋翼飞行器的硬件框架、常用硬件及其性能和用法、自主开发的软件系统设计以及飞行控制程序的开发与实践； 另外，本书还展示了四旋翼飞行器的组装过程，提供了实现无人机平稳飞行的实用调试经验，列举了多项实际应用案例。本书致力于帮助读者从不会到会，自主搭建四旋翼飞行器、自主编写程序，并在自制的调试平台上分析数据和调节PID参数，列举了初次起飞时的常见问题及其解决方法，直到飞行器*终能平稳飞行。
本书适用于对四旋翼飞行器感兴趣的初学者入门学习，也可作为参加各种大学生无人机电子设计竞赛的大学生们的学习参考用书。

目录

第1章四旋翼飞行器概述与发展现状

1.1空中机器人

1.2国内外四旋翼飞行器的研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3四旋翼飞行器技术关键

1.3.1总体设计优化

1.3.2能源动力系统

1.3.3建立数学模型

1.3.4飞行控制

1.3.5定位、导航与通信

第2章四旋翼飞行器飞行原理

2.1基本原理

2.2四旋翼飞行器姿态表示

2.2.1坐标系统建立

2.2.2姿态解算

2.3平衡控制算法

2.3.1四旋翼飞行器的PID调节原理

2.3.2四旋翼飞行器的PID参数整定(利用MATLAB仿真确定

理论参数)

2.4滤波算法

2.4.1卡尔曼滤波算法

2.4.2互补滤波算法

第3章四旋翼飞行器常用通信协议

3.1常用通信接口协议

3.1.1SPI

3.1.2I2C

3.1.3USART

3.2常用RC(Radio Controller)通信协议

3.2.1PPM

3.2.2PWM

第4章四旋翼飞行器硬件系统设计

4.1四旋翼飞行器系统硬件总体结构

4.1.1主控板

4.1.2外围传感器

4.1.3遥控器介绍

4.2机架的构造与电机的选用

4.2.1机架结构与设备安装

4.2.2电机与桨的选用

第5章四旋翼飞行器软件系统设计

5.1开发工具简介

5.1.1CCS

5.1.2IAR

5.1.3Keil

5.2飞行控制板控制系统软件总体设计

5.2.1总体框架

5.2.2初始化

5.2.3中断处理

5.2.4飞行控制程序中的重要变量列表

5.3四旋翼飞行器具体功能软件实现

5.3.1定高飞行

5.3.2定点悬停与位移控制

5.3.3数据传输设计

5.3.4控制系统设计

5.4地面站软件设计

5.4.1地面站系统组成与图形化的界面操作设计

5.4.2与四旋翼飞行器的通信协议

5.4.3遥控器PPM信号捕获

5.5上位机软件设计

5.5.1软件功能

5.5.2软件实现

第6章四旋翼飞行器制作及调试方法

6.1飞行控制板PCB板制作与调试技术

6.2四旋翼飞行器的组装

6.2.1飞行器的组装步骤

6.2.2新组装四旋翼飞行器的第一次调试过程

6.3常见调试问题与解决方案

6.3.1PID参数调整经验

6.3.2减少机械振动以提高飞行稳定性

第7章成功案例

7.1竞赛作品1——2015年(瑞萨杯)全国大学生电子设计竞赛

7.1.1题目要求

7.1.2系统方案

7.1.3实现方案

7.1.4软硬件方案

7.1.5测试

7.2竞赛作品2——2016年(TI杯)上海市大学生电子设计竞赛

7.2.1题目要求

7.2.2系统方案

7.2.3实现方案

7.2.4硬件与程序方案

7.2.5测试

7.3毕业设计作品1——目标跟踪四旋翼飞行器

7.3.1课题概述

7.3.2硬件系统设计

7.3.3飞行控制板软件系统设计

7.3.4系统板软件系统设计

7.3.5总结与展望

7.4毕业设计作品2——基于Kinect的穿窗和手势控制四旋翼飞行器

7.4.1课题概述

7.4.2硬件系统概述

7.4.3目标物体定位和追踪

7.4.4路径规划及控制

7.4.5总结与展望

参考文献

前言
1907年，世界上第一架四旋翼飞行器成功升空，拉开了四旋翼飞行器研究的大幕。四旋翼飞行器的研究，是多学科的碰撞和结合，涉及控制理论、电子与通信理论、图像处理技术及各种传感器技术，也与材料科学等学科密切相关。
由于四旋翼飞行器相较于固定翼飞行器具有机动性强、能源利用率高、结构设计巧妙和安全性高等特点，相较于地面机器人具有更高的自由度，因此近年来已成为一个研究热点，不仅大学等研究机构进行了广泛而深入的研究，以大疆为首的消费级四旋翼飞行器也取得了爆发式的发展。
四旋翼飞行器作为一个载体，在实现基本飞行功能的基础上，可以附加各种不同的功能，这也是四旋翼飞行器的最大魅力之一。近年来还出现了各类新型无人机，如自拍无人机、农业植保无人机和快递无人机等。各大研究机构开发的室内精确定位无人机则能实现更多精细化的工作，如利用无人机搭建垂直村落、无人机集群化协同飞行表演等。实现四旋翼飞行器自主飞行功能的基础： ①四旋翼飞行器实现自主平衡； ②四旋翼飞行器在有遥控的情况下按照遥控者意愿飞行，且操作难度较低； ③四旋翼飞行器在无遥控情况下利用附加传感器实现定点悬停和位移控制。
对于初学者来说，四旋翼飞行器基础飞行功能的实现有较高的难度，不仅要根据飞行原理装配四旋翼飞行器的硬件，在硬件层面保证飞行器能够安全稳定飞行，而且要进行四旋翼飞行器软件设计，尤其是较为困难的底层软件设计。此外，四旋翼飞行器参数的调节对开发者来说也是巨大的挑战。
本书深入浅出地全面介绍了四旋翼飞行器的各方面知识，让读者能轻松容易地进行学习。各章节分布如下： 第1章介绍四旋翼飞行器的历史、现状和关键技术； 第2章介绍四旋翼飞行器的飞行原理，包括姿态表示、姿态解算、平衡控制算法和滤波算法； 第3章介绍四旋翼飞行器设计中常用的通信协议； 第4章介绍四旋翼飞行器上常用的硬件设备； 第5章介绍四旋翼飞行器软件系统设计； 第6章介绍飞行控制模块PCB的设计及四旋翼飞行器的组装经验和调试经验； 第7章介绍几项四旋翼飞行器的实际应用案例。
本书的撰写得到了上海大学无人机协会成员徐晨畅、钱思杰、曹中正、黄潇畅、胡啸林等的大力协助，对他们在本书编写过程中所做的工作表示感谢。
由于编者的知识水平有限，书中疏漏之处在所难免，希望广大读者批评指正。
编者2018年3月

第3章
四旋翼飞行器常用通信协议

3.1常用通信接口协议3.1.1SPI1. SPI总线接口概述
串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)总线系统是一种同步串行外设接口，是Motorola公司首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用于EEPROM、Flash、实时时钟、AD转换器，以及数字信号处理器和数字信号解码器之间，允许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交换［9］。SPI系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接相连，一般使用4条线。① 串行时钟线SCLK。其主要作用是主设备往从设备传输时钟信号，控制数据交换的时机以及速率。② 主机输入/从机输出数据线MISO。也称为Rx通道，作为数据的入口，主要用于SPI设备接收数据。③ 主机输出/从机输入数据线MOSI。也称为Tx通道，作为数据的出口，主要用于SPI设备发送数据。④ 从机使能信号nSS(有的IC会标注为CS，意为片选信号)。用于主设备片选从设备，使被选中的从设备能够被主设备所访问。SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT*，有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI。所以，SPI系统总线只需3~5条数据线和控制线即可同具有SPI的各种I/O器件连接。SPI总线可在软件的控制下构成各种简单的或复杂的系统。例如，一个主MCU和几个从MCU； 几个从MCU相互连接构成多主机系统(分布式系统)； 一个主MCU和一个或几个从I/O设备。大多数情况下，使用一个MCU作为主机，控制数据向一个或多个从外围器件的传送，从器件只能在主机的SCLK信号有时钟跳变时才能传送和采集信号。图3.1.1是对SPI设备间通信的一个简单的描述，其中的组件及其含义如下。

图3.1.1SPI设备通信结构

① SSPBUF(Synchronous Serial Port Buffer)，泛指SPI设备里面的内部缓冲区，一般在物理上是以FIFO的形式保存传输过程中的临时数据。② SSPSR(Synchronous Serial Port Register)，泛指SPI设备里面的移位寄存器(Shift Regitser)，它的作用是根据设置好的数据位宽(bitwidth)把数据移入或者移出SSPBUF。③ Controller，泛指SPI设备里面的控制寄存器，可以通过配置它们来设置SPI总线的传输模式。SPI典型结构组成如图3.1.2所示。

图3.1.2SPI总线结构（1主机 3独立从机）

2. SPI总线接口数据传送SPI是一个环形总线结构，其时序简单，主要是在SCLK的控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换，其时序结构如图3.1.3所示。上升沿发送数据，下降沿接收数据。其数据的传输格式是高位(MSB)在前，低位(LSB)在后。上升沿到来的时候，SDO上最高位的电平将被发送到从设备的寄存器中； 下降沿到来的时候，SDI上的电平将被接收到主设备的寄存器中。一个完整的传送周期是16位，即两个字节，因为，首先主机要发送命令过去，然后从机根据主机的命令准备数据，主机在下一个8位时钟周期才把数据读回来。

图3.1.3SPI总线时序

SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性(CPOL)对传输协议没有大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平； 如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位(CPHA)能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿(上升或下降)数据被采样； 如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿(上升或下降)数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设时钟相位和极性应该一致。因此根据CPOL和CPHA的设置，SPI共可分为4种模式，如表3.1.1所示。

表3.1.1SPI 4种模式

SPI模式时钟极性(CPOL)时钟相位(CPHA)000101210311
另一种常用的模式表示方式为如“(0，1)”即表明CPOL=0，CPHA=1。下面给出一段用软件实现SPI串行通信的例程。
int main(void)
{
SysCtlClockSet(SYSCTL_SYSDIV_2_5 | SYSCTL_USE_PLL | SYSCTL_OSC_MAIN | SYSCTL_XTAL_10MHZ);
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_SSI1);
SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_GPIOF);
SysCtlGPIOAHBEnable(GPIO_PORTF_BASE);   //挂在AHB高性能总线上

GPIOPinConfigure(GPIO_PF2_SSI1CLK);
GPIOPinConfigure(GPIO_PF3_SSI1FSS);
GPIOPinConfigure(GPIO_PF1_SSI1TX);
GPIOPinTypeSSI(GPIO_PORTF_BASE,GPIO_PIN_1|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_2);
//SSI1_BASE/时钟频率/时钟协议，moto代表SPI协议/工作模式： 主机模式/位速率4M/数据帧位数16
SSIConfigSetExpClk(SSI1_BASE, SysCtlClockGet(), SSI_FRF_MOTO_MODE_1, SSI_MODE_MASTER, 16000000, 16);
SSIEnable(SSI1_BASE);
while(1){
SSIDataPut(SSI1_BASE, 0x2468);
}
}
以上程序能够实现通过SPI接口发送消息，在使用SPI发送消息之前，首先要对SPI功能进行配置，这也是以上程序的重点所在，SPI初始化程序设计流程框图如图3.1.4所示。

图3.1.4Tm4C芯片SPI配置流程框图

3.1.2I2C1. I2C总线接口概述
I2C(InterIntegrated Circuit)是飞利浦(Philips)公司推出的一种高性能芯片间串行传输总线，与SPI不同，它仅以两根线实现了完善的全双工同步数据传送，可以极方便地构成多机系统和外围器件扩展系统［10］。其总线的基本结构如图3.1.5所示，I2C总线采用了器件地址的设置方法，通过软件寻址完全避免了器件的片选寻址的弊端，从而使硬件系统具有更简单、更灵活的扩展方法。

图3.1.5I2C总线的基本结构

I2C总线进行数据传输时只需两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有连接到I2C总线上的设备，其串行数据都连接到总线的SDA线上，而各设备的时钟线均接到总线的SCL线上。I2C总线是一个多主机总线，即一个I2C总线可以有一个或多个主机，总线运行由主机控制。这里所说的主机是指启动数据的传送(发起始信号)、发出时钟信号、传送结束时发出终止信号的设备。通常，主机由各类单片机或其他微处理器担当。被主机寻访的设备为从机，它可以是各种单片机或其他微处理器，也可以是其他器件，如存储器、LED或LCD驱动器、A/D或D/A转换器、时钟日历器件等。I2C总线为双向同步串行总线，因此I2C总线接口内部为双向传输电路。总线接口输出为开漏结构，所以总线上必须有上拉电阻。为了进行通信，每个连接到I2C总线上的设备都有一个唯一的地址。主机与从机之间的数据传送可以是由主机发送到总线上的其他设备，这时主机称为发送器。从总线上接收数据的设备为接收器。在多主机系统中，可能同时有几个主机企图启动总线传送数据。为了避免混乱，保证数据的可靠传送，任意时刻总线只能由某一台主机控制，所以，I2C总线要通过总线裁决，来决定由哪一台主机控制总线。若有两个或两个以上的主机企图占用总线，一旦一个主机送“1”，而另一个或多个送“0”，送“1”的主机退出竞争。在竞争过程中，时钟信号是各个主机产生异步时钟信号线“与”的结果。I2C总线上的时钟总是对应于主机的。传送数据时，每个主机产生自己的时钟，主机产生的时钟仅在慢速的从机拉宽低电平加以改变或在竞争中失败而改变。当总线空闲时，两根总线均为高电平。连接到总线上的器件其输出级必须是漏极或集电极开路，任意设备输出的低电平都将使总线的信号变低，即各设备的SDA及SCL都是线与的关系。2. I2C总线的数据传送1)总线上数据的有效性在I2C总线上，每一位数据位的传送都与时钟脉冲相对应，逻辑“0”和逻辑“1”的信号电平取决于相应的正端电源VDD的电压。I2C总线进行数据传送时，在时钟信号为高电平期间，数据线上必须保持有稳定的逻辑电平状态，高电平为数据1，低电平为数据0。只有在时钟线低电平期间，才允许数据线上的电平状态变化，如图3.1.6所示。

图3.1.6数据位的有效性规定
2) 数据传送的起始信号和终止信号
起始信号和终止信号如图3.1.7所示。

图3.1.7起始信号和终止信号
根据I2C总线协议的规定： SCL线为高电平期间，SDA由高电平向低电平的变化表示起始信号； SCL线为高电平期间，SDA线由低电平向高电平的变化表示终止信号。起始信号和终止信号都是由主机发出的，在起始信号产生后，总线就处于被占用的状态； 在终止信号产生一定时间后，总线就处于空闲状态。连接到I2C总线上的设备若具有I2C硬件接口，则很容易检测到起始信号和终止信号。对于不具备I2C总线接口的MCU来说，为了能准确检测起始信号和终止信号，必须保证在总线的一个时钟周期内对数据线至少采样两次。从机收到一个完整的数据字节后，有可能需要完成一些其他工作，如处理内部中断服务等，可能使它无法立刻接收下一个字节。这时从机可以将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等待状态，直到从机准备好可以接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，数据传送继续进行。3) 数据传送格式(1) 字节传送与应答利用I2C总线进行数据传送时，对传送的字节数是没有限制的，但是每一个字节必须保证是8位长度，并且首先发送的数据位为最高位，每传送一个字节数据后都必须跟随一位应答信号，与应答信号相对应的时钟由主机产生，主机必须在这一时钟位上释放数据线，使其处于高电平状态，以便从机在这一位上送出应答信号，如图3.1.8所示。

图3.1.8I2C总线应答时序

应答信号在第9个时钟位上出现，从机输出低电平为应答信号，表示继续接收，若从机输出高电平则为非应答信号，表示结束接收。由于某种原因，从机不对主机寻址信号应答时(如从机正在进行实时性的处理工作而无法处理接收总线上的数据)，它必须释放总线，将数据线置于高电平，然后由主机产生一个终止信号以结束总线的数据传送。如果从机对主机进行了应答，但在数据传送一段时间后无法继续接收更多的数据时，从机可以通过发送非应答信号通知主机，主机则应发出终止信号来结束数据的继续传送。当主机接收数据时，它收到最后一个数据字节后，必须向从机发送一个非应答信号，使从机释放SDA线，以便主机产生终止信号，从而停止数据传送。（2） 数据传送格式I2C总线上传输的数据信号是广义的，既包括地址信号，又包括真正的数据信号。I2C总线数据传送时必须遵守规定的数据传送格式，如图3.1.9所示。

图3.1.9I2C总线一次完整的数据传输格式

按照总线规约，起始信号表明一次数据传送的开始，其后为寻址字节，寻址字节由高7位地址和最低1位方向位组成，高7位地址是被寻址的从机地址，方向位是表示主机与从机之间的数据传送方向，方向位为“0”时表示主机发送数据“写”，方向位为“1”时表示主机接收数据“读”。在寻址字节后是将要传送的数据字节与应答位，在数据传送完后主机必须发送终止信号。但是，如果主机希望继续占用总线进行新的数据传送，则可以不产生终止信号，马上再次发出起始信号对另一从机进行寻址。因此，在总线的一次数据传送过程中，可以有几种读、写组合方式。① 主机向从机发送n个数据，数据传送方向在整个传送过程中不变，如图3.1.10所示。

图3.1.10I2C数据传输方式1

主机在第一个字节后，立即由从机读数据，在整个过程中，除寻址字节外，都是从机发送、主机接收，如图3.1.11所示。

图3.1.11I2C数据传输方式2

② 在传送过程中，当需要改变传送方向时，起始信号和从机地址都被重复产生一次，但两次读/写方向位正好反相，如图3.1.12所示。

图3.1.12I2C数据传输方式3

由以上格式可见，无论采用哪种方式，起始信号、终止信号和地址均由主机发送，数据字节的传送方向由寻址字节中方向位规定； 每个字节的传送都必须有应答信号位相随。4) I2C总线的寻址约定I2C总线是多主总线，总线上的各个主机都可以争用总线，在竞争中获胜者马上占有总线控制权。I2C总线协议对有权使用总线的主机寻址做出了明确的规定： 采用7位的寻址字节，寻址字节是起始信号后的第一个字节。(1) 寻址字节的位定义
从高到低分别为7位数据，最低位LSB为数据传送方向位，如图3.1.13所示。主机发送地址时，总线上的每个从机都将这7位地址码与自己的

期间地址进行比较，如果相同则认为自己正被主机寻址，根据读/写位将自己确定为接收器或发送器。

图3.1.13寻址字节

从机的地址是由一个固定部分和一个可编程部分组成。固定部分为器件的编号地址，表明了器件的类型，出厂时是固定的，不可更改； 可编程部分为器件的呼叫地址，视硬件接线而定，引脚地址数决定了同一种器件可接入到I2C总线中的最大数目。如果从机为单片机，则7位地址为纯软件地址。

(2) 寻址字节中的特殊地址I2C总线地址统一由I2C总线委员会实行分配，其中两组编号地址0000和1111已被保留，留作特殊用途，如表3.1.2所示。

表3.1.2I2C总线特殊地址

地址位读/写位用途0000 0000通用广播地址0000 0001起始地址0000 001×CBUS地址

0000 010×0000 011×0000 1×××1111 1×××待定1111 0×××10位从机地址
① 广播地址。起始信号之后第一个字节为“0000 0000”时称为通用广播地址。广播地址用于寻访接到I2C总线上的所有器件，并向它们广播数据。② 起始字节是提供给没有I2C总线接口的单片机查询I2C总线时使用的特殊字节。对于不具备I2C总线接口的单片机，采用软件模拟时序的方法，也可以接入I2C总线系统。下面给出在本系统采用Ti飞行控制板芯片的开发板TIVA C Launchpad上实现I2C主从模块消息互通的主模块程序设计流程图(如图3.1.14所示)。从模块程序设计与主模块类似，但不用设置时钟频率等。

图3.1.14I2C主模块程序设计流程框图

3.1.3USART1. USART功能概述
USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)是一个全双工通用同步/异步串行收发模块，该接口是一个高度灵活的串行通信设备。与UART相比，它增加了同步功能，能够提供主动时钟来实现同步通信。它提供了一种灵活的方法与使用工业标准NRZ异步串行数据格式的外部设备之间进行全双工数据交换。USART利用分数波特率发生器提供宽范围的波特率选择。它支持同步单向通信和半双工单线通信。它还允许多处理器通信。接口通过3个引脚与其他设备连接在一起，任何USART双向通信至少需要两个脚，即接收数据输入(RX)和发送数据输出(TX)。USART通信具有以下特性。① 总线在发送或接收前应处于空闲状态。② 一个起始位。③ 一个数据字(8位或9位)，最低有效位在前。④ 0.5、1.5这两个的停止位，由此表明数据帧的结束。⑤ 使用分数波特率发生器——12位整数和4位小数的表示方法。⑥ 一个状态寄存器(USART_SR)。⑦ 一个数据寄存器(USART_DR)。⑧ 一个波特率寄存器(USART_BRR)，12位整数和4位小数。⑨ 一个智能卡模式下的保护时间寄存器(USART_GTPR)。2. USART数据传输如图3.1.15所示，字长可以通过编程USART_CR1寄存器中的M位，选择成8位或9位。在起始位期间，Tx脚处于低电平，在停止位期间Tx脚处于高电平。空闲符号被视为完全由“1”组成的一个完整的数据帧，后面跟着包含了数据的下一帧的开始位(“1”的位数也包括了停止位的位数)。

图3.1.15USART的数据帧格式

断开符号被视为在一个帧周期内全部收到“0”(包括停止位期间，也是“0”)。在断开帧结束时，发送器再插入一或两个停止位(“1”)来应答起始位。发送和接收由一共用的波特率发生器驱动，当发送器和接收器的使能位置位时，分别为其产生时钟。在TIVA C Launchpad上进行UART串口通信的程序设计流程框图如图3.1.16所示。

图3.1.16串口通信程序设计流程框图

3.2常用RC(Radio Controller)通信协议3.2.1PPM

PPM(Pulse Position Modulation，脉宽位置调制)调制信号控制脉冲序列中各脉冲的相对位置(即相位)，使各脉冲的相对位置随调制信号变化。此时序列中脉冲幅度和宽度均不变。PPM是遥控模型中比较通用的一种信号格式，是接收机收到遥控器发出的4通道信息后，输出给飞行控制模块的编码信号，飞行控制部分对其进行解码即可得到各个通道的控制量。PPM原理是通过检测给定频率的PWM信号的占空比来获取指令信号的。如图3.2.1所示，信号频率为50Hz，一个周期为20ms，每个信号脉宽0~2ms； 1帧PPM信号长度为20ms，实际遥控最多可以容纳9个通道。一个通道的2ms时间内，脉宽仅在1~2ms内变化，即脉宽1ms表示停转，脉宽2ms表示满量程运作，其间各点按比例换算，如脉宽1.5ms表示50%的量程。PPM信号波形如图3.2.1所示。

图3.2.1PPM信号图解

3.2.2PWM
PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，

图3.2.2不同占空比的PWM波

一般变换后脉冲的周期固定，但脉冲的占空比会依模拟信号的大小而改变，如图3.2.2所示。PWM被广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
在模拟电路中，模拟信号的值可以连续进行变化，在时间和值的幅度上几乎没有限制，基本上可以取任何实数值，输入与输出也呈线性变化。所以在模拟电路中，电压和电流可直接用来进行控制对象，如家用电器设备中的音量开关控制、采用卤素灯泡灯具的亮度控制等。但模拟电路有诸多的问题： 例如，控制信号容易随时间漂移，难以调节； 功耗大； 易受噪声和环境干扰等。与模拟电路不同，数字电路是在预先确定的范围内取值，在任何时刻其输出只可能为ON和OFF两种状态，所以电压或电流会以通/断方式的重复脉冲序列加载到模拟负载。PWM技术是一种对模拟信号电平的数字编码方法，通过使用高分辨率计数器(调制频率)调制方波的占空比，从而实现对一个模拟信号的电平进行编码。其最大的优点是从处理器到被控对象之间的所有信号都是数字形式的，不需要再进行数模转换过程； 而且对噪声的抗干扰能力也大大增强(噪声只有在强到足以将逻辑值改变时，才有可能对数字信号产生实质的影响)，这也是PWM

图3.2.3PWM功能配置流程框图

在通信等信号传输行业得到大量应用的主要原因。
模拟信号能否使用PWM进行编码调制，仅依赖带宽，这即意味着只要有足够的带宽，任何模拟信号值均可以采用PWM技术进行调制编码，一般而言，负载需要的调制频率要高于10Hz，在实际应用中，频率在1~200kHz之间。
在信号接收端，需将信号解调还原为模拟信号，目前在很多微型处理器内部都包含有PWM控制器模块。PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振波开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。其根据相应载荷的变化调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。对于具有PWM模块的芯片，可以方便地通过硬件方式输出PWM波。下面给出配置PWM功能的程序设计流程框图(如图3.2.3所示)。