Arudino 與 86Duino Servo 函式庫 PWM 抖動現象之比較
一、簡介
86Diuno 的 Servo 函式庫和 Arudino 的 Servo 函式庫，可以輸出多軸 PWM（Pulse Width Modulation）信號來控制多顆伺服機，藉由改變 PWM 的工作週期（又稱為 Duty，即 HIGH 的時間長短）來控制伺服機的角度，如下示意圖所示：
從上面的示意圖來看，伺服機的 PWM 週期為 20ms，我們可以輸入 900us ~ 2400us 的工作週期，讓伺服機從 0 度轉動到 180 度，而 86Duino 和 Arduino 的 Servo 函式庫，能同時送出多組這樣的 PWM 信號來控制多顆伺服機。
本文要說明的 PWM 抖動，指的是 PWM 的 “Duty” 會存在不固定的抖動現象，發生這個現象的原因，與控制板產生 PWM 的方式有關，下面我們來看幾個控制板產生 PWM 信號的方式：
- 透過內建或外接的 PWM 硬體來產生 PWM 信號
- 用軟體模擬方式來產生 PWM 信號
第一種方式，因為有透過外部或內建的 PWM 硬體在運作，產生出來的 PWM 信號精準、可靠。以 86Duino 和 Arduino 為例，兩者都有內建 PWM 硬體，例如我們呼叫 analogWrite() 函式後，PWM 硬體便開始獨立運作並送出我們指定的 PWM 波形，用這個方式送出的 PWM 不會有抖動的問題。
第二種方式，通常是控制板在沒有內建或外接 PWM 硬體的情況下，才會使用的方法：軟體模擬，有時候，在需要更多組 PWM 信號的場合，也會用這個方法來產生更多組的 PWM 信號（例如：控制多軸 RC 伺服機機器人）。以 86Duino 和 Arduino 為例，雖然兩者都有內建硬體 PWM，但為了能輸出更多組 PWM 來控制多顆 RC 伺服機，其內建的 Servo 函式庫，使用了軟體模擬方式來實作多組 PWM 信號輸出。
使用軟體模擬方式產生的 PWM 信號和硬體產生的 PWM 不一樣，大部分會存在 PWM 抖動的情形，下面我們使用示波器，在 Arduino Mega 2560 上實際量測 Servo 函式庫輸出的 PWM 信號，並觀察 Duty 抖動的情況：
二、軟體模擬的實作方法
從上面我們知道，軟體模擬出來的 PWM 會有抖動現象，但具體的成因是什麼呢? 成因就在於軟體模擬的實作方法，下面我們來看軟體模擬實作的簡要介紹：
軟體模擬，指的是我們藉由程式，操控控制板上的 GPIO 和 Timer（計時器），透過兩者共同運作來模擬 PWM 輸出。其中，GPIO 負責控制腳位的 HIGH 和 LOW，計時器負責在 Duty 和 period 時間點發出中斷，讓程式進入中斷副程式來更新 GPIO 的 HIGH/LOW狀態。
上面我們要注意的是 “中斷” 這個行為。在一顆功能豐富的 CPU 上可以處理多個中斷，但是當有多個中斷 “同時” 請 CPU 處理時，CPU 只能依照優先級順序一個一個處理，也就是說，如果我們使用的計時器中斷和其他中斷同時發生，計時器中斷可能不會 “即時” 被 CPU 響應，必需等待 CPU 把優先級高的中斷事件處理完後，才會處理計時器中斷，造成每次進入中斷副程式的時間會飄動，可能長也可能短，所以 GPIO 的 HIGH/LOW 狀態無法在準確的時間點更新，因而形成 PWM 抖動現象。
PWM 抖動的幅度（範圍大小），受到 CPU 處理速度、是否同時有其它中斷、中斷優先級、I/O 硬體設計等影響，造成的抖動可能大也可能小，以 Arduino Mega 2560 為例，使用 Servo 函式庫送出 1 組 Duty 為 1500us 的 PWM，實際量測的 Duty 大約會在 1501us ~ 1509us 之間抖動，抖動範圍約 8us。
三、PWM 抖動造成的影響（以 Arduino Servo 函式庫為例）
在 Arduino Mega 2560 上，我們接上一顆高精度的伺服機，例如 KONDO KRS4000 系列的伺服機，然後使用 Servo 函式庫送出 Duty 1500us 的 PWM 給這顆伺服機，從下面影片可以看到，已經轉到 1500us 角度的伺服機，會因為 PWM Duty 的抖動而產生小幅震動（此例子的 PWM Duty 的抖動範圍約 8us）：
高精度的伺服機會反應微小的 PWM 抖動，但一般我們在市面上常見的 SG-90、MG995/996系列，它們因為解析度較低，所以不會響應 8us 的 PWM 抖動，也就沒有影片中的情形。
接下來，如果一次啟用 40 組以上的 PWM，然後改成接上一顆低解析度的 SG-90 伺服機，會怎麼樣呢?
可以看到低解析度的伺服機也出現抖動情形了，這是因為在 Arduino 的 Servo 函式庫中，為了輸出更多組 PWM 而自動開啟第二組、第三組計時器中斷，造成兩兩中斷互相干擾，惡化了 PWM 抖動情形。惡化現象使 Duty 的誤差範圍最高達到 77us 左右，這個誤差足以讓低解析度的伺服機響應，因此產生抖動。
四、86Duino Servo 函式庫
從前面我們知道，如果能讓 PWM 的抖動範圍盡可能小，市面上那些常見的伺服機就不容易出現抖動情形，因此我們在 86Duino 的 Servo 函式庫（以及 Servo86 函式庫）中做了以下改善：
- 一旦進入中斷副程式，便關閉所有中斷，使執行權不會被其他高特權級的中斷搶走，有效降低 PWM 抖動。
- 使用內建的 PWM 硬體計時器機制，提早進入中斷副程式中等待時間到達，有效降低 PWM 抖動。
- 即使啟用了 45 組 PWM，仍然只使用一個計時器中斷，不會有多組計時器中斷造成 PWM 抖動惡化的情形。
使用上述的改善方法，可以讓 86Duino 在啟用 45 組 PWM 時，每一組 PWM 仍然保持 1us ~ 2us 的抖動範圍。
下表是我們在 Arduino UNO、Leonardo、Mega、DUE 和 86Duino 上，使用各自的 Servo 函式庫並啟用 1 組 PWM 所量測出來的 Duty 誤差範圍：
下表是我們在 Arduino Mega、Arduino DUE 和 86Duino 上，使用各自的 Servo 函式庫並啟用 45 組 PWM 所量測出來的 Duty 誤差範圍：
由上面可以看到 86Duino 在 PWM 抖動抑制上有良好的改善，另外，在原本就能輸出硬體 PWM 的腳位（腳位旁有標示～符號），86Duino Servo 函式庫也會自動改用硬體 PWM 來輸出，達到零抖動的目的。
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