2020年11月19日

--gpiozero

gpiozeroライブラリ入門③import PWMLED

　PWMはPulse Width Modulationの略で、次の二つのパラメータをもちます。

周波数
ディーティ（Duty）比

　使用環境

Raspberry Pi　Raspberry Pi 4 Model B 2MB
OS　Raspberry Pi OS（32ビット）5.4.72
Python3　3.7.3
gpiozeroライブラリ　1.5.1
エディタ　Mu

●PWMLEDクラス

クラスgpiozero.PWMLED(pin, *, active_high=True, initial_value=0, frequency=100, pin_factory=None)

パラメータ：
　pin (int or str) – LEDが接続されているGPIOピン。これがNoneの場合、GPIODeviceErrorが発生する。
　active_high (bool) – True（デフォルト）の場合、on（）メソッドはGPIOをHighに設定する。 Falseの場合、on（）メソッドはGPIOをLowに設定する（off（）メソッドは常に反対のことを行う）。
　initial_value (float) –0（デフォルト）の場合、LEDは最初はOFFになる。 LEDの初期輝度として、0〜1のほかの値を指定できる。 PWMにピンの状態を変更しないように指示する方法がないため、（親クラスとは異なり）Noneを指定できないことに注意。
　frequency (int) – LEDを駆動するパルスの周波数（Hz）。デフォルトは100Hz。
　pin_factory (Factory or None) – APIの解説を読む

（＊をそのまま記述するとエラーになる。用途は不明）

blink(on_time=1, off_time=1, fade_in_time=0, fade_out_time=0, n=None, background=True)

　デバイスの電源を繰り返しON/OFFする。

パラメータ：
　on_time (float) – ONの秒数。デフォルトは1秒。
　off_time (float) – オフの秒数。デフォルトは1秒。
　fade_in_time (float) – フェード・インに費やす秒数。デフォルトは0。
　fade_out_time (float) – フェード・アウトに費やす秒数。デフォルトは0。
　n (int or None) – 点滅する回数。なし（デフォルト）は永遠を意味する。
　background (bool) –True（デフォルト）の場合、バックグラウンド・スレッドを開始して点滅を続け、すぐに戻る。 Falseの場合、点滅が終了したときにのみ戻る（警告：デフォルト値のnは、このメソッドが戻らない結果になる）。

off()

　デバイスをOFFにする。

on()

　デバイスをONにする。

pulse(fade_in_time=1, fade_out_time=1, n=None, background=True)

　フェード・インとフェード・アウトを繰り返す。

パラメータ：

　fade_in_time (float) – フェード・インに費やす秒数。デフォルトは1。
　fade_out_time (float) – フェード・アウトに費やす秒数。デフォルトは1。
　n (int or None) – パルスする回数。なし（デフォルト）は永遠を意味する。
　background (bool) – True（デフォルト）の場合、バックグラウンド・スレッドを開始してパルスを継続し、すぐに戻る。 Falseの場合、パルスが終了したときにのみ戻る（警告：デフォルト値のnは、このメソッドが戻らない結果になる）。

toggle()

　デバイスの状態を切り替える。デバイスが現在OFF（値が0.0）の場合、これにより「完全に」ON（値は1.0）に変更される。デバイスのデューティ・サイクル（値）が0.1の場合、0.9に切り替わる。

is_lit

　デバイスが現在アクティブ（値がゼロ以外）の場合はTrueを返し、それ以外の場合はFalseを返す。

　デバイスが接続されているピン。デバイスが閉じられている場合、これはNoneになる（close（）メソッドを参照）。 GPIOピンを処理するときは、pin.numberを照会して、デバイスが接続されているGPIOピン（BCM番号付け）を見つける。

value

　PWMデバイスのデューティ・サイクルの値。0.0はOFF、1.0は完全にON。その間の値は、デバイスのさまざまなレベルの電力に対して指定できる。

●接続

　前回のLEDと同じくGPIO17に抵抗内蔵LEDをつなぎます。

●PWM出力とはどういう意味か

　LEDをONしました。GPIO17ポートを観測すると、LowからHighに変わっただけです。

from gpiozero import PWMLED

led = PWMLED(17, initial_value = 0, frequency=100)
led.on()

　blink()関数を使ってみました。立ち上がりのところをフェード・インします。

from gpiozero import PWMLED
from time import sleep

led = PWMLED(17, initial_value = 0, frequency=100)
led.off()
sleep(1)

led.blink(fade_in_time=0.８)

　PWMのデューティ比が連続的に変化し、ほぼ0から100%に変化した後、ONになっています。LEDは、フォワーッと明るくなり、プチっと消灯します。

　fade_in_timeを0.8から0.3へ変更したら、フェード・インの時間が短くなりました。

　PWMのfrequencyは、このフェード・イン期間のPWMの周波数ということですね。

led.blink(fade_in_time=0.3)

●いずれのピンもPWM出力ができるか

　次のプログラムを動かし、GPIO2からひとつずつポートを変更し、波形が出ているかを確認しました。

from gpiozero import PWMLED
from time import sleep

port =2
led = PWMLED(port)
led.off()
sleep(1)
print(port)
led.blink(fade_in_time=0.2, fade_out_time=0.4)

（ここまでのオシロスコープのキャプチャはプローブx1です。ここからはx10。）

　すべてのポートで利用できました。

GPIO2	〇		-
GPIO3	〇		-
GPIO4	〇	〇	GPIO14
-		〇	GPIO15
GPIO17	〇	〇	GPIO18
GPIO27	〇		-
GPIO22	〇	〇	GPIO23
-		〇	GPIO24
GPIO10	〇		-
GPIO9	〇	〇	GPIO25
GPIO11	〇	〇	GPIO8
-		〇	GPIO7
GPIO5	〇		-
GPIO6	〇	〇	GPIO12
GPIO13	〇		-
GPIO19	〇	〇	GPIO16
GPIO26	〇	〇	GPIO20
-		〇	GPIO21

●pulseクラス・オブジェクト

　明るくなってすぐに暗くなるという動作を繰り返します。

from gpiozero import PWMLED
from time import sleep

port =17
led = PWMLED(port)
led.off()
sleep(1)
print(port)
led.pulse()

　次のプログラムのように、同時にGPIO17とGPIO21の二つのピンを駆動しました。
　動きました。

from gpiozero import PWMLED
from time import sleep

led = PWMLED(17)
led1 = PWMLED(21)
led.off()
sleep(1)
print(port)
led.pulse()
led1.pulse()

　GPIO20を追加して同時に3ピンを駆動したら、いずれの出力も出ませんでした。組み合わせによっては可能なピンも存在するかもしれませんが、2本までとしたほうが確実かもしれません。2本の組み合わせも動かない場合があるかもしれません。

●周波数の上限

　　led = PWMLED(17, initial_value = 0, frequency=100)

周波数が10kHzぐらいまではディーティ比が可変になります。それ以上に上げるとディーティが50%になり、100kHや1MHzを指定できますが、20kHz付近と波形は変化しません。

●フェード・インとフェード・アウト時のデューティ比の変化（2020/11/22追加）

　オシロスコープの演算機能を用いて、ディーティ比の変化を描画しました。

黒色；PWM信号なので、ローパス・フィルタを通すことで平均電圧を知ることができる。LowPass(A*10,10)
ピンク色；ディーティ比を直接描画。ノイズが多いのでローパス・フィルタをかけた。LowPass(duty(A),10)

　直線的にデューティ比が変化していることがわかりました。