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
18.1PWM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：
| |
| 速度模式选择： LEDC_HIGH_SPEED_MODE LEDC_LOW_SPEED_MODE |
| LEDC通道: (0 - LEDC_CHANNEL_MAX-1)，从 ledc_channel_t 中选择 |
| |
| |
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：
| |
| 速度模式选择： LEDC_HIGH_SPEED_MODE LEDC_LOW_SPEED_MODE |
| LEDC通道: (0 - LEDC_CHANNEL_MAX-1)，从 ledc_channel_t 中选择 |
| 渐变模式，ledc_fade_mode_t为索引，有几个模式可选： LEDC_FADE_NO_WAIT LEDC_FADE_WAIT_DONE LEDC_FADE_MAX |
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
/**
* 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PWM进行初始化，设置了PWM占空比分辨率为13，PWM信号频率为5000，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。
