第十八章 HW_PWM实验

       本章将介绍使用ESP32-S3 LED控制器(LEDC)。上一章节我们介绍了通过软件改变PWM占空比。那么这一章节我们将和开发者们一起来学习硬件改变PWM占空比的运用。

       本章分为如下几个小节：

       18.1 PWM简介

       18.2 硬件设计

       18.3 程序设计

       18.4 下载验证

       18.1 PWM简介

       关于PWM的一些知识，我们在第十七章已经介绍过了，在此便不做赘述。使用硬件的方式改变PWM占空比与使用软件的方式改变PWM占空比的不同之处在于，LED PWM 控制器硬件可逐渐改变占空比的数值，要使用此功能，需用函数 ledc_fade_func_install() 使能渐变，之后用下列可用渐变函数之一配置：

       (1)ledc_set_fade_with_time()

       (2)ledc_set_fade_with_step()

       (3)ledc_set_fade()

       最后需要调用 ledc_fade_start() 开启渐变。

       18.2 硬件设计

       18.2.1 例程功能

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

       18.2.2 硬件资源

       1. LED

               LED - IO1

       2. 定时器1

               通道1 - IO1

       18.2.3 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。

        18.3 程序设计

       18.3.1 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18.3.1.1 HW_PWM实验程序流程图

       18.3.2 HW_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HW_PWM函数，这些函数的描述及其作用如下：

       1，使能渐变

       LED PWM控制器硬件可逐渐改变占空比的数值。开启此功能，需要用函数 ledc_fade_func_install() 使能渐变，该函数原型如下所示：

esp_err_t ledc_fade_func_install(int intr_alloc_flags);

        该函数的形参描述，如下表所示：

表18.3.2.1 函数ledc_fade_func_install()形参描述

       返回值：ESP_OK表示配置成功，其他表示配置失败。

       2，设置LEDC渐变功能

       经过上一步渐变功能的配置后，需要设置占空比以及渐变时长，该函数原型如下所示：

esp_err_t ledc_set_fade_with_time(ledc_mode_t speed_mode,
   ledc_channel_t channel, 
   uint32_t target_duty,                  int max_fade_time_ms);

        该函数的形参描述，如下表所示：

表18.3.2.2 函数ledc_set_fade_with_time()形参描述

      返回值：ESP_OK表示配置成功，其他表示配置失败。

      3，开启渐变

      设置占空比以及渐变时长后，便可开启渐变功能，该函数原型如下所示：

esp_err_t ledc_fade_start(ledc_mode_t speed_mode,
   ledc_channel_t channel, 
   ledc_fade_mode_t fade_mode);

       该函数的形参描述，如下表所示：

表18.3.2.3 函数ledc_fade_start()形参描述

      返回值：ESP_OK表示配置成功，其他表示配置失败。

      18.3.3 HW_PWM驱动解析

      在IDF版的08-2_hw_pwm例程中，作者在08-2_hw_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HW_PWM相关的函数和变量，而pwm.c文件则实现了HW_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_0       /* 使用定时器0 */
#define LEDC_PWM_MODE         LEDC_LOW_SPEED_MODE/* 模式设定必须使用LEDC低速模式 */
#define LEDC_PWM_CH0_GPIO     GPIO_NUM_1         /* LED控制器通道对应GPIO */
#define LEDC_PWM_CH0_CHANNEL  LEDC_CHANNEL_0     /* LED控制器通道号 */
#define LEDC_PWM_DUTY         8000               /* 渐变的变大最终目标占空比 */
#define LEDC_PWM_FADE_TIME    3000               /* 变化时长 */
 
/* 函数声明 */
void pwm_init(uint8_t resolution, uint16_t freq);/* 初始化PWM */
void pwm_set_duty(uint16_t duty);                /* PWM占空比设置 */

      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_PWM_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_PWM_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 */
 
    ledc_fade_func_install(0);      /* 使能渐变（该函数不可或缺） */
}
 
/**
 * @brief       PWM占空比设置
 * @param       duty：PWM占空比
 * @retval      无
 */
void pwm_set_duty(uint16_t duty)
{
ledc_set_fade_with_time(LEDC_PWM_MODE,
LEDC_PWM_CH0_CHANNEL,
duty,
LEDC_PWM_FADE_TIME); /* 设置占空比以及渐变时长 */
ledc_fade_start(LEDC_PWM_MODE,
LEDC_PWM_CH0_CHANNEL,
LEDC_FADE_NO_WAIT);    /* 开始渐变 */
 
ledc_set_fade_with_time(LEDC_PWM_MODE,
LEDC_PWM_CH0_CHANNEL,
0,
LEDC_PWM_FADE_TIME); /* 设置占空比以及渐变时长 */
ledc_fade_start(LEDC_PWM_MODE,
LEDC_PWM_CH0_CHANNEL,
LEDC_FADE_NO_WAIT);    /* 开始渐变 */
}

       在PWM初始化函数中，我们配置好LEDC定时器的频率、占空比、定时器模式以及定时器通道，并在pwm_set_duty()函数中，调用函数  ledc_set_fade_with_time () 用以设置占空比和渐变时长。此时，我们需要再次调用该函数，将占空比配置为0，最后调用函数  ledc_fade_start () 开启渐变。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PWM初始化函数中涉及到的结构体含义，请读者们回顾第十七章节的内容。

      18.3.4 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 HW_ PWM 驱动需要由开发者自行添加，以确保 HW_ 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 HW_ 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。

      18.3.5 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;
    
    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(13, 5000);        /* 初始化PWM */
 
    while (1)
    {
        vTaskDelay(10);
        pwm_set_duty(LEDC_PWM_DUTY);    /* 设置占空比 */
}
｝

       在主函数中，我们首先对 P WM 进行初始化，设置了 P WM 占空比分辨率为 1 3 ， P WM 信号频率为 5 000 ，最后在 while( 1) 循环中配置了占空比。通过与上一个实验的对比，硬件改变占空比的方式与软件改变占空比的方式虽有不同，但一样可以实现呼吸灯的效果。开发者们可以这两个章节进行对比学习。

       18. 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。