第十七章 SW_PWM实验

       本章将介绍使用ESP32-S3 LED控制器(LEDC)。LEDC主要用于控制LED，也可产生PWM信号用于其他设备的控制。该控制器有8路通道，可以产生独立的波形，驱动RGB LED等设备。LED PWM控制器可在无需CPU干预的情况下自动改变占空比，实现亮度渐变。ESP32-S3 IDF提供了两种方式改变PWM，一种是通过软件改变PWM占空比，另一种是通过硬件改变PWM占空比，这两种方式我们都会一一进行讲解。通过本章的学习，开发者将学习到软件改变PWM占空比的运用。本章分为如下几个小节：

       17.1 PWM简介

       17.2 硬件设计

       17.3 程序设计

       17.4 下载验证

        17.1 PWM简介

       1，PWM原理解析

       PWM（Pulse Width Modulation），简称脉宽调制，是一种将模拟信号变为脉冲信号的计数。PWM可以控制LED亮度、直流电机的转速等。

       PWM的主要参数如下：

       ①：PWM频率。PWM频率是PWM信号在1s内从高电平到低电平再回到高电平的次数，也就是说1s内有多少个PWM周期，单位为Hz。

       ②：PWM周期。PWM周期是PWM频率的倒数，即T=1/f，T是PWM周期，f是PWM频率。如果PWM频率为50Hz，也就是说PWM周期为20ms，即1s由50个PWM周期。

       ③：PWM占空比。PWM占空比是指在一个PWM周期内，高电平的时间与整个周期时间的比例，取值范围为0%~100%。PWM占空比如下图所示。

图17.1.1 PWM占空比

       PWM周期是一个PWM信号的时间：脉宽时间是指高电平时间；脉宽时间占PWM周期的比例就是占空比。例如，如果PWM周期是10ms，而脉宽时间为8ms，那么PWM占空比就是8/10=80%，此时的PWM信号就是占空比为80%的PWM信号。PWM名为脉冲宽度调制，顾名思义，就是通过调节PWM占空比来调节PWM脉宽时间。

       在使用PWM控制LED时，亮1s后灭1s，往复循环，就可以看到LED在闪烁。如果把这个周期缩小到200ms，亮100ms后灭100ms，往复循环，就可以看到LED灯在高频闪烁。继续把这个周期持续缩小，总有一个临界值使人眼分辨不出LED在闪烁，此时LED的亮度处于灭与亮之间亮度的中间值，达到了1/2亮度。PWM占空比和亮度的关系如下图所示。

图17.1.2 PWM占空比和亮度的关系

       2，ESP32的LED PWM控制器介绍

       ESP32-S3的LED PWM控制器，简写为LEDC，用于生成控制LED的脉冲宽度调制信号。

       LED PWM控制器具有八个独立的PWM生成器（即八个通道）。每个PWM生成器会从四个通用定时器中选择一个，以该定时器的计数值作为基准生成PWM信号。LED PWM定时器如下图所示。

图17.1.1.1 LED_PWM的定时器

       为了实现PWM 输出，先需要设置指定通道的PWM参数：频率、分辨率、占空比，然后将该通道映射到指定引脚，该引脚输出对应通道的PWM信号，通道和引脚的关系所下图所示。

图17.1.1.2 LED PWM输出示意图

       另外，LED PWM控制器可在没有CPU干预的情况下自动改变占空比，实现亮度以及颜色渐变。

        17.2 硬件设计

       17.2.1 例程功能

       1. 通过软件改变PWM的形式使得LED由亮到暗，再由暗到亮，依次循环。 

       17.2.2 硬件资源

       1. LED

              LED-IO1

       2. 定时器1

              通道1 - IO1

       17.2.3 原理图

       本章实验使用的定时器1为ESP32-S3的片上资源，因此没有对应的连接原理图。

        17.3 程序设计

       17.3.1 程序流程图

       程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程，对学习和设计工程有很好的主导作用。下面看看本实验的程序流程图：

图17.3.1.1 SW_PWM实验程序流程图

       17.3.2 SW_PWM函数解析

       ESP-IDF提供了一套API来配置PWM。要使用此功能，需要导入必要的头文件：

#include "driver/ledc.h"

        接下来，作者将介绍一些常用的SW_PWM函数，这些函数的描述及其作用如下：

       1，配置LEDC使用的定时器为定时器1

       需要注意的一点是，在首 次配置LEDC时，建议先配置定时器(调用函数ledc_timer_config())，再配置通道(调用函数ledc_channel_config())。这样可以确保IO引脚上的PWM信号自输出开始那一刻起，其频率就是正确的。

       方才提到，要设置定时器，可调用函数ledc_timer_config()，需要将一些参数的数据结构传递给该函数，该函数原型如下所示：

esp_err_t ledc_timer_config(const ledc_timer_config_t *timer_conf);

        该函数的形参描述，如下表所示：

表17.3.2.1 函数ledc_timer_config ()形参描述

       返回值：ESP_OK表示配置成功，其他配置失败。

       该函数使用ledc_timer_config_t类型的结构体变量传入，该结构体的定义如下所示：

表17.3.2.2 ledc_timer_config_t 结构体参数值描述

       完成上述结构体参数配置之后，可以将结构传递给 ledc_timer_config ()  函数，用以实例化SW_PWM并返回SW_PWM句柄。另外值得一提的是，时钟源同样可以限制PWM频率。选择的时钟源频率越高，可以配置的PWM频率上限就越高。

       2，通道配置函数

       该函数原型如下所示：

esp_err_t ledc_channel_config(const ledc_channel_config_t *ledc_conf);

        该函数的形参描述，如下表所示：

表17.3.2.3 函数ledc_channel_config ()形参描述

       返回值：ESP_OK表示配置成功，其他配置失败。

       该函数使用ledc_channel_config_t类型的结构体变量传入，该结构体的定义如下所示：

表17.3.2.4 ledc_channel_config_t结构体参数值描述

       完成上述结构体参数配置之后，可以将结构传递给 ledc_channel_config()  函数，用以实例化PWM通道。

       3，改变PWM占空比

       调用函数 ledc_set_duty() 可以设置新的占空比。之后，调用函数 ledc_update_duty() 使新配置生效。要查看当前设置的占空比，可使用get 函数 ledc_get_duty() ，该函数原型如下所示：

esp_err_t ledc_set_duty(ledc_mode_t speed_mode,
 ledc_channel_t channel,
 uint32_t duty);

        该函数的形参描述，如下表所示：

表17.3.2.5 函数ledc_set_dut ()形参描述

       返回值：ESP_OK表示配置成功，其他配置失败。

       4，改变PWM占空比

       在上一步调用 ledc_set_duty() 设置新的占空比后，调用函数 ledc_update_duty() 使新配置生效，该函数原型如下所示：

esp_err_t ledc_update_duty(ledc_mode_t speed_mode, ledc_channel_t channel);

       该函数的形参描述，如下表所示：

表17.3.2.6 函数ledc_update_duty()形参描述

       返回值：ESP_OK表示配置成功，其他配置失败。

       17.3.3 SW_PWM驱动解析

       在IDF版的08-1_sw_pwm例程中，作者在08-1_sw_pwm \components\BSP路径下新增了一个PWM文件夹，用于存放pwm.c和pwm.h这两个文件。其中，pwm.h文件负责声明SW_PWM相关的函数和变量，而pwm.c文件则实现了SW_PWM的驱动代码。下面，我们将详细解析这两个文件的实现内容。

       1，pwm.h文件

/* 引脚以及重要参数定义 */
#define LEDC_PWM_TIMER           LEDC_TIMER_1 /* 使用定时器1 */
#define LEDC_PWM_CH0_GPIO        GPIO_NUM_1   /* LED控制器通道对应GPIO */
#define LEDC_PWM_CH0_CHANNEL     LEDC_CHANNEL_1 /* LED控制器通道号 */

       2，pwm.c文件

/**
 * @brief  初始化PWM
 * @param        resolution： PWM占空比分辨率
 *    freq： PWM信号频率
 * @retval       无
 */
void pwm_init(uint8_t resolution, uint16_t freq)
{
    ledc_timer_config_t ledc_timer;                  /* LEDC定时器句柄 */
    ledc_channel_config_t ledc_channel;              /* LEDC通道配置句柄 */
 
    /* 配置LEDC定时器 */
    ledc_timer.duty_resolution = resolution;         /* PWM占空比分辨率 */
    ledc_timer.freq_hz = freq;                       /* PWM信号频率 */
    ledc_timer.speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE;     /* 定时器模式 */
    ledc_timer.timer_num = LEDC_PWM_TIMER;           /* 定时器序号 */
    ledc_timer.clk_cfg = LEDC_AUTO_CLK;              /* LEDC时钟源 */
    ledc_timer_config(&ledc_timer);                  /* 配置定时器 */
 
    /* 配置LEDC通道 */
    ledc_channel.gpio_num = LEDC_PWM_CH0_GPIO;       /* LED控制器通道对应引脚 */
    ledc_channel.speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE;  /* LEDC高速模式 */
    ledc_channel.channel = LEDC_PWM_CH0_CHANNEL;  /* LEDC控制器通道号 */
    ledc_channel.intr_type = LEDC_INTR_DISABLE;      /* LEDC失能中断 */
    ledc_channel.timer_sel = LEDC_PWM_TIMER;         /* 定时器序号 */
    ledc_channel.duty = 0;                           /* 占空比值 */
    ledc_channel_config(&ledc_channel);              /* 配置LEDC通道 */
}
 
/**
 * @brief       PWM占空比设置
 * @param       duty：PWM占空比
 * @retval      无
 */
void pwm_set_duty(uint16_t duty)
{
ledc_set_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE,
  LEDC_PWM_CH0_CHANNEL,
  duty);        /* 设置占空比 */
ledc_update_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE,
 LEDC_PWM_CH0_CHANNEL);       /* 更新占空比 */
}

        LEDC定时器设置好后，请配置所需的通道（ ledc_channel_t ）。配置通道需调用函数 ledc_channel_config() 。通道的配置与定时器设置类似，需向通道配置函数传递相应的结构体 ledc_channel_config_t 。此时，通道会按照 ledc_channel_config_t 的配置开始运作，并在选定的GPIO上生成由定时器指定的频率和占空比的PWM信号。

       调用函数 ledc_set_duty() 可以设置新的占空比。之后，调用函数 ledc_update_duty() 使新配置生效。为了方便使用，笔者将这两个函数进行了“封装”，通过传参的形式来配置PWM占空比。

       关于配置过程中所涉及到的结构体成员变量的含义以及用法，请读者们回顾本章节前面的内容。

       17.3.4 CMakeLists.txt文件

       打开本实验BSP下的CMakeLists.txt文件，其内容如下所示：

set(src_dirs            
            PWM)
 
set(include_dirs
            PWM)
 
set(requires
            driver)
 
idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs} 
INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
 
component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)

        上述的红色 SW_ PWM 驱动需要由开发者自行添加，以确保 SW_ PWM 驱动能够顺利集成到构建系统中。这一步骤是必不可少的，它确保了 SW_ PWM 驱动的正确性和可用性，为后续的开发工作提供了坚实的基础。

       17.3.5 实验应用代码

       打开main/main.c文件，该文件定义了工程入口函数，名为app_main。该函数代码如下。

int main(void)
{ 
esp_err_t ret;
    uint8_t dir = 1;
    uint16_t ledrpwmval = 0;
    
    ret = nvs_flash_init(); /* 初始化NVS */
 
if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES ||
    ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
    {
        ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
        ret = nvs_flash_init();
    }
    
pwm_init(10, 1000);     /* 初始化PWM */
 
    while (1)
    {
        vTaskDelay(10);
        
        if (dir == 1)
        {
/* dir==1,ledrpwmval递增 */
            ledrpwmval += 5;
        }
        else
        {
/* dir==0,ledrpwmval递减 */
            ledrpwmval -= 5;
        }
        
        if (ledrpwmval > 1005)
        {
            /* ledrpwmval到达1005后，方向改为递减 */
            dir = 0;
        }
        
        if (ledrpwmval < 5)
        {
            /* ledrpwmval递减到5后，方向改为递增 */
            dir = 1;
        }
        /* 设置占空比 */
        pwm_set_duty(ledpwmval);
}
}

        从上面的代码中可以看到，在初始化LEDC定时器，并输出PWM后，就不断地改变定时器0的值，以达到改变PWM占功比的目的。又因为PWM由IO1引脚输出，IO1引脚连接至LED，所以LED的亮度也会随之发生变化，从而实现呼吸灯的效果。

        17.4 下载验证

       在完成编译和烧录后，可以看到板子上的LED先由暗再逐渐变亮，以此循环，实现了呼吸灯的效果。