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1. 引言

在嵌入式开发中，PWM（脉冲宽度调制）是控制电机转速、LED 亮度、蜂鸣器频率等场景的核心技术。nRF52840 作为 Nordic 推出的低功耗蓝牙 SoC，提供了多种 PWM 实现途径，但不同方案在功耗、资源占用和输出通道数上差异显著。

本文将从 nRF52840 的 PWM 资源出发，系统对比三种主流实现方案，并通过实战示例帮助读者快速选型与落地。

2. 核心概念

2.1 什么是 PWM

PWM 通过调节方波信号的占空比（高电平时间占整个周期的比例）来模拟模拟输出。占空比越高，等效输出电压越高，从而实现对负载的精细控制。

2.2 nRF52840 的 PWM 资源概览

nRF52840 内置 3 组 PWM 外设模块，每组最多支持 4 路 PWM 输出，总计最多 12 路。此外，芯片还提供低功耗定时器（如 RTC）和通用硬件定时器（如 TIMER），它们也能产生 PWM，但通道数和功耗特性各不相同。

2.3 三种实现方案对比

3. 实战示例

在动手编写代码之前，先了解 nRF52840 上常用的 PWM 引脚分配，有助于避免引脚冲突并快速选型。下表列出了 6 个典型引脚及其对应的 PWM 资源：

说明：实际引脚功能需结合具体开发板原理图与 Nordic 引脚复用配置（GPIO 的 P0/P1 端口）确认，上表为常见典型分配示例。

3.1 方案一：low_power_pwm（低功耗优先）

#include"nrfx.h"#include"nrf_gpio.h"#include"nrfx_gpiote.h"#include"nrfx_rtc.h"#include"nrfx_ppi.h"/* low_power_pwm：使用 RTC + PPI + GPIOTE 实现低功耗 PWM 输出 */#defineLOW_PWM_RTC_ID2#defineLOW_PWM_PINNRF_GPIO_PIN_MAP(0,15)#defineLOW_PWM_PERIOD_TICKS1000U/* 32.768 kHz 下约 32.77 Hz，适合低功耗 LED 呼吸灯 */staticconstnrfx_rtc_tlow_pwm_rtc=NRFX_RTC_INSTANCE(LOW_PWM_RTC_ID);staticnrf_ppi_channel_tlow_pwm_ppi_set;staticnrf_ppi_channel_tlow_pwm_ppi_clr;staticnrf_ppi_channel_tlow_pwm_ppi_period;/* 将 0-100 的占空比转换为 RTC 比较计数值 */staticuint32_tlow_pwm_percent_to_ticks(uint8_tpercent){if(percent>100U){percent=100U;}return(LOW_PWM_PERIOD_TICKS*percent)/100U;}voidlow_power_pwm_init(void){nrfx_err_terr;/* 1. 配置输出引脚为 GPIOTE 任务模式，初始输出低电平 */nrfx_gpiote_out_config_tout_cfg={.action=NRF_GPIOTE_POLARITY_TOGGLE,.init_state=NRF_GPIOTE_INITIAL_VALUE_LOW,.task_pin=true,};err=nrfx_gpiote_out_init(LOW_PWM_PIN,&out_cfg);if(err!=NRFX_SUCCESS){return;}/* 2. 初始化 RTC，使用 32.768 kHz 低功耗时钟 */nrfx_rtc_config_trtc_cfg=NRFX_RTC_DEFAULT_CONFIG;rtc_cfg.prescaler=0;err=nrfx_rtc_init(&low_pwm_rtc,&rtc_cfg,NULL);if(err!=NRFX_SUCCESS){return;}/* 3. 分配并配置 PPI 通道： CC0 事件 -> GPIOTE SET：置位引脚，开始高电平 CC1 事件 -> GPIOTE CLR：清除引脚，结束高电平 CC2 事件 -> RTC CLEAR：清除计数器，开始下一个周期 */nrfx_ppi_channel_alloc(&low_pwm_ppi_set);nrfx_ppi_channel_alloc(&low_pwm_ppi_clr);nrfx_ppi_channel_alloc(&low_pwm_ppi_period);nrfx_ppi_channel_assign(low_pwm_ppi_set,nrfx_rtc_event_address_get(&low_pwm_rtc,NRF_RTC_EVENT_COMPARE_0),nrfx_gpiote_set_task_addr_get(LOW_PWM_PIN));nrfx_ppi_channel_assign(low_pwm_ppi_clr,nrfx_rtc_event_address_get(&low_pwm_rtc,NRF_RTC_EVENT_COMPARE_1),nrfx_gpiote_clr_task_addr_get(LOW_PWM_PIN));nrfx_ppi_channel_assign(low_pwm_ppi_period,nrfx_rtc_event_address_get(&low_pwm_rtc,NRF_RTC_EVENT_COMPARE_2),nrfx_rtc_task_address_get(&low_pwm_rtc,NRF_RTC_TASK_CLEAR));nrfx_ppi_channel_enable(low_pwm_ppi_set);nrfx_ppi_channel_enable(low_pwm_ppi_clr);nrfx_ppi_channel_enable(low_pwm_ppi_period);/* 4. 设置比较值并启动 RTC */nrfx_rtc_counter_clear(&low_pwm_rtc);nrfx_rtc_cc_set(&low_pwm_rtc,NRF_RTC_CC_CHANNEL_0,0,false);nrfx_rtc_cc_set(&low_pwm_rtc,NRF_RTC_CC_CHANNEL_1,0,false);nrfx_rtc_cc_set(&low_pwm_rtc,NRF_RTC_CC_CHANNEL_2,LOW_PWM_PERIOD_TICKS,false);nrfx_rtc_enable(&low_pwm_rtc);}voidlow_power_pwm_set_duty(uint8_tduty_percent){/* 仅更新比较值即可，PPI 会在下一个周期自动生效 */uint32_tduty_ticks=low_pwm_percent_to_ticks(duty_percent);nrfx_rtc_cc_set(&low_pwm_rtc,NRF_RTC_CC_CHANNEL_1,duty_ticks,false);}intmain(void){low_power_pwm_init();low_power_pwm_set_duty(50);/* 50% 占空比输出 */while(1){__WFE();/* 进入低功耗等待，PWM 由 RTC 和 PPI 自动维持 */}}

特点：功耗最低，适合电池供电的常驻场景；但单定时器仅支持 2 路，且频率精度受限于低功耗时钟源。

3.2 方案二：pwm_library（性能优先）

#include"nrfx.h"#include"nrf_gpio.h"#include"nrfx_gpiote.h"#include"nrfx_timer.h"#include"nrfx_ppi.h"/* pwm_library：使用 TIMER + PPI + GPIOTE 实现高频 PWM 输出 */#defineHPWM_TIMER_ID0#defineHPWM_PINNRF_GPIO_PIN_MAP(0,8)#defineHPWM_TIMER_FREQ_HZ16000000UL/* TIMER 运行频率 16 MHz */#defineHPWM_TARGET_FREQ_HZ20000UL/* 目标 PWM 频率 20 kHz */#defineHPWM_PERIOD_TICKS(HPWM_TIMER_FREQ_HZ/HPWM_TARGET_FREQ_HZ)/* 800 */staticconstnrfx_timer_thpwm_timer=NRFX_TIMER_INSTANCE(HPWM_TIMER_ID);staticnrf_ppi_channel_thpwm_ppi_set;staticnrf_ppi_channel_thpwm_ppi_clr;staticnrf_ppi_channel_thpwm_ppi_period;/* 将 0-100 的占空比转换为定时器比较计数值 */staticuint32_thpwm_percent_to_ticks(uint8_tpercent){if(percent>100U){percent=100U;}return(HPWM_PERIOD_TICKS*percent)/100U;}voidpwm_library_init(void){nrfx_err_terr;/* 1. 配置输出引脚为 GPIOTE 任务模式，初始输出低电平 */nrfx_gpiote_out_config_tout_cfg={.action=NRF_GPIOTE_POLARITY_TOGGLE,.init_state=NRF_GPIOTE_INITIAL_VALUE_LOW,.task_pin=true,};err=nrfx_gpiote_out_init(HPWM_PIN,&out_cfg);if(err!=NRFX_SUCCESS){return;}/* 2. 初始化 TIMER0 为定时器模式，16 MHz、16 位计数 */nrfx_timer_config_ttimer_cfg=NRFX_TIMER_DEFAULT_CONFIG;timer_cfg.frequency=NRF_TIMER_FREQ_16MHz;timer_cfg.mode=NRF_TIMER_MODE_TIMER;timer_cfg.bit_width=NRF_TIMER_BIT_WIDTH_16;err=nrfx_timer_init(&hpwm_timer,&timer_cfg,NULL);if(err!=NRFX_SUCCESS){return;}/* 3. 分配并配置 PPI 通道： CC0 事件 -> GPIOTE SET：置位引脚 CC1 事件 -> GPIOTE CLR：清除引脚 CC2 事件 -> TIMER CLEAR：清除定时器，开始下一个周期 */nrfx_ppi_channel_alloc(&hpwm_ppi_set);nrfx_ppi_channel_alloc(&hpwm_ppi_clr);nrfx_ppi_channel_alloc(&hpwm_ppi_period);nrfx_ppi_channel_assign(hpwm_ppi_set,nrfx_timer_event_address_get(&hpwm_timer,NRF_TIMER_EVENT_COMPARE0),nrfx_gpiote_set_task_addr_get(HPWM_PIN));nrfx_ppi_channel_assign(hpwm_ppi_clr,nrfx_timer_event_address_get(&hpwm_timer,NRF_TIMER_EVENT_COMPARE1),nrfx_gpiote_clr_task_addr_get(HPWM_PIN));nrfx_ppi_channel_assign(hpwm_ppi_period,nrfx_timer_event_address_get(&hpwm_timer,NRF_TIMER_EVENT_COMPARE2),nrfx_timer_task_address_get(&hpwm_timer,NRF_TIMER_TASK_CLEAR));nrfx_ppi_channel_enable(hpwm_ppi_set);nrfx_ppi_channel_enable(hpwm_ppi_clr);nrfx_ppi_channel_enable(hpwm_ppi_period);/* 4. 设置比较值并启动 TIMER */nrfx_timer_clear(&hpwm_timer);nrfx_timer_compare(&hpwm_timer,NRF_TIMER_CC_CHANNEL0,0,false);nrfx_timer_compare(&hpwm_timer,NRF_TIMER_CC_CHANNEL1,0,false);nrfx_timer_compare(&hpwm_timer,NRF_TIMER_CC_CHANNEL2,HPWM_PERIOD_TICKS,false);nrfx_timer_enable(&hpwm_timer);}voidpwm_library_set_duty(uint8_tduty_percent){/* 仅更新比较值即可，PPI 会在下一个周期自动生效 */uint32_tduty_ticks=hpwm_percent_to_ticks(duty_percent);nrfx_timer_compare(&hpwm_timer,NRF_TIMER_CC_CHANNEL1,duty_ticks,false);}intmain(void){pwm_library_init();pwm_library_set_duty(75);/* 75% 占空比输出 */while(1){__WFE();/* 等待中断或低功耗事件 */}}

特点：硬件定时器精度高、实时性强，适合电机控制等高频场景；但功耗较高，单定时器同样仅支持 2 路。

3.3 方案三：pwm_driver（均衡之选）

#include"nrfx.h"#include"nrf_gpio.h"#include"nrfx_pwm.h"/* pwm_driver：使用 nRF52840 的 PWM 外设直接输出 4 路 PWM */#definePWM_DRV_PIN0NRF_GPIO_PIN_MAP(0,6)#definePWM_DRV_PIN1NRF_GPIO_PIN_MAP(0,8)#definePWM_DRV_PIN2NRF_GPIO_PIN_MAP(0,11)#definePWM_DRV_PIN3NRF_GPIO_PIN_MAP(0,13)#definePWM_DRV_TOP_VALUE1000U/* top 值 1000，便于按 0.1% 粒度设置占空比 */staticnrfx_pwm_tpwm0=NRFX_PWM_INSTANCE(0);staticnrf_pwm_values_common_tpwm_seq_values[NRF_PWM_CHANNEL_COUNT]={0};staticnrf_pwm_sequence_tpwm_seq;voidpwm_driver_init(void){nrfx_err_terr;/* 1. 配置 PWM0 的四路输出引脚 */nrfx_pwm_config_tcfg=NRFX_PWM_DEFAULT_CONFIG(PWM_DRV_PIN0,PWM_DRV_PIN1,PWM_DRV_PIN2,PWM_DRV_PIN3);/* 2. 设置 1 MHz 计数时钟和 top 值，PWM 频率约为 1 kHz */cfg.base_clock=NRF_PWM_CLK_1MHz;cfg.top_value=PWM_DRV_TOP_VALUE;err=nrfx_pwm_init(&pwm0,&cfg,NULL);if(err!=NRFX_SUCCESS){return;}/* 3. 初始化 PWM 播放序列，后续通过更新数组值改变各通道占空比 */pwm_seq.values.p_common=pwm_seq_values;pwm_seq.length=NRF_PWM_VALUES_LENGTH(pwm_seq_values);pwm_seq.repeats=0;pwm_seq.end_delay=0;}/* 设置指定通道的占空比，duty_percent 范围 0-100 */voidpwm_driver_set_channel(uint8_tchannel,uint8_tduty_percent){if(channel>=NRF_PWM_CHANNEL_COUNT){return;}if(duty_percent>100U){duty_percent=100U;}pwm_seq_values[channel]=(PWM_DRV_TOP_VALUE*duty_percent)/100U;/* 使用 LOOP 标志循环播放，修改后立即重新加载序列 */nrfx_pwm_simple_playback(&pwm0,&pwm_seq,1,NRFX_PWM_FLAG_LOOP);}intmain(void){pwm_driver_init();pwm_driver_set_channel(0,25);/* 通道 0：25% 占空比 */pwm_driver_set_channel(1,50);/* 通道 1：50% 占空比 */pwm_driver_set_channel(2,75);/* 通道 2：75% 占空比 */pwm_driver_set_channel(3,100);/* 通道 3：100% 占空比 */while(1){__WFE();/* PWM 外设由硬件自动输出，无需 CPU 持续干预 */}}

特点：nRF52840 有 3 组 PWM 外设模块，每组最多 4 路，总计最多 12 路输出；功耗中等，是多数项目的首选方案。

3.4 选型决策流程

4. 常见问题

4.1 为什么 low_power_pwm 和 pwm_library 都只能输出 2 路？

因为这两种方案都基于定时器实现，而 nRF52840 的每个定时器（无论是低功耗还是硬件定时器）在标准配置下最多只能产生 2 路比较输出。

4.2 需要 8 路 PWM 该如何实现？

可以使用 2 组 PWM 外设模块（每组 4 路），或 1 组 PWM 模块 + 1 个定时器组合。注意引脚分配和模块资源冲突。

4.3 低功耗模式下 PWM 还能工作吗？

low_power_pwm 基于低功耗定时器，在 System ON 低功耗模式下仍可运行；而 pwm_library 依赖的高频硬件定时器通常需要更高的工作模式，功耗随之上升。

4.4 PWM 输出异常排查

在实际调试中，PWM 输出异常大多来自硬件配置、时钟设置或更新流程。下面列出三类高频问题及排查步骤。

1. 引脚冲突

现象：波形输出到错误引脚、多路 PWM 互相干扰，或 GPIO 状态异常。

排查步骤：

1. 检查目标引脚是否被其他外设复用，例如 SPI、UART、I2C、QSPI，确认对应PSEL寄存器配置。
2. 对照开发板原理图，确认代码中的引脚号与实际物理连接一致。
3. 多路 PWM 同时使用时，确认各通道没有重复占用同一个比较输出或同一个 GPIO。

代码检查点：

// 检查引脚是否已被外设占用if(NRF_P0->PIN_CNF[PWM_PIN]&(GPIO_PIN_CNF_MCUSEL_Msk)){// 该引脚已被外设占用，需要释放或更换引脚}

2. 时钟配置错误

现象：PWM 频率偏离预期，波形抖动，或 low_power_pwm 输出不稳定。

排查步骤：

1. 确认当前方案使用的时钟源：pwm_driver依赖 HFCLK，low_power_pwm依赖 LFCLK。
2. 检查是否已启动对应时钟，并等待启动完成事件，避免在时钟稳定前配置 PWM。
3. 若使用内部 RC 振荡器作为 LFCLK，注意校准时钟精度，否则低频输出可能漂移。

代码检查点：

// 启动 LFCLK 并等待稳定NRF_CLOCK->EVENTS_LFCLKSTARTED=0;NRF_CLOCK->TASKS_LFCLKSTART=1;while(!NRF_CLOCK->EVENTS_LFCLKSTARTED){}

3. 占空比设置无效

现象：写入占空比后没有变化，输出一直为 0 或 100%，或占空比与设定值不符。

排查步骤：

1. 确认占空比单位：不同方案可能使用百分比、0-255、0-4095 等不同量程。
2. 检查是否在 PWM 启动后才修改比较值，或修改后未触发对应的更新任务。
3. 使用pwm_driver时，确认top值设置合理，实际占空比由compare/top计算得出。

代码检查点：

// 修改占空比后，确保触发 PWM 外设更新if(NRF_PWM0->EVENTS_SEQEND[0]){NRF_PWM0->EVENTS_SEQEND[0]=0;NRF_PWM0->TASKS_SEQSTART[0]=1;}

小结：先确认硬件连接与引脚复用，再核对时钟源是否启动，最后检查占空比量程与更新触发条件。多数 PWM 输出异常都可以沿这三条路径快速定位。

5. 总结

nRF52840 的三种 PWM 方案各有侧重：low_power_pwm适合功耗敏感、通道少的场景；pwm_library适合高频高精度控制；pwm_driver凭借 3 组模块、每组 4 路的资源，在通道数与功耗之间取得最佳平衡。实际项目中，建议优先评估通道数量与功耗预算，再结合实时性要求做出选择。