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第十七章 ESP32S3 SW_PWM 实验

news 2025/9/1 12:43:09

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，这两种方式都会学习。通过本章将学习到通过软件改变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%。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。PWM 占空比如下图所示。

图 17.1.1 PWM 占空比

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
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
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，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。
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：

形参	描述
timer_conf	指向配置 LEDC 定时器的结构体指针

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：

结构体	成员变量	可选参数
ledc_timer_config_t	speed_mode ：速度模式。需要注意的是，ESP32-S3 仅支持低速模式。	LEDC_LOW_SPEED_MODE: 低速模式
	speed_mode ：速度模式。需要注意的是，ESP32-S3 仅支持低速模式。	LEDC_HIGH_SPEED_MODE：高速模式
	timer_num ：通道的定时器源，定时器索引 ledc_timer_t	LEDC_TIMER_0
		LEDC_TIMER_1
		LEDC_TIMER_2
		LEDC_TIMER_3
		LEDC_TIMER_MAX
	freq_hz ： PWM信号频率，表示LEDC模块的定时器时钟频率设置，单位为 Hz	无
	duty_resolution ： PWM 占空比分辨率。占空比分辨率通常用ledc_timer_bit_t 设置，范围是 10 至 15 位。如需较低的占空比分辨率（上至10，下至1），可直接输入相应数值。相关参数请参考ledc_timer_bit_t。	LEDC_TIMER_1_BIT // 1位分辨率 (2级) LEDC_TIMER_2_BIT // 2位分辨率 (4级) LEDC_TIMER_3_BIT // 3位分辨率 (8级) LEDC_TIMER_4_BIT // 4位分辨率 (16级) LEDC_TIMER_5_BIT // 5位分辨率 (32级) LEDC_TIMER_6_BIT // 6位分辨率 (64级) LEDC_TIMER_7_BIT // 7位分辨率 (128级) LEDC_TIMER_8_BIT // 8位分辨率 (256级) LEDC_TIMER_9_BIT // 9位分辨率 (512级) LEDC_TIMER_10_BIT // 10位分辨率 (1024级) LEDC_TIMER_11_BIT // 11位分辨率 (2048级) LEDC_TIMER_12_BIT // 12位分辨率 (4096级) LEDC_TIMER_13_BIT // 13位分辨率 (8192级) LEDC_TIMER_14_BIT // 14位分辨率 (16384级) LEDC_TIMER_15_BIT // 15位分辨率 (32768级) LEDC_TIMER_16_BIT // 16位分辨率 (65536级) // ESP32-S2/S3/C3 支持到 20位
	clk_cfg： LEDPWM 的时钟来源	LEDC_AUTO_CLK：启动定时器时，将根据给定的分辨率和占空率参数自动选择 ledc 源时钟;
		LEDC_USE_APB_CLK：选择 APB 作为源时钟;
		LEDC_USE_RC_FAST_CLK：选择“RC_FAST” 作为源时钟;
		LEDC_USE_XTAL_CLK：选择 XTAL 作为源时钟;
		LEDC_USE_RTC8M_CLK： ” LEDC_USE_RC_FAST_CLK” 的别名

表 17.3.2.2 ledc_timer_config_t 结构体参数值描述

特别再介绍下duty_resolution（占空比分辨率）：

占空比分辨率是 PWM 控制中的核心概念，它决定了你能以多精细的级别控制输出信号的强度。在 ESP32 的 LEDC (LED PWM Controller) 中，这是一个关键配置参数。

分辨率级别与精度：

分辨率位数	占空比级数	最小调节步进	适用场景
1 bit	2	50%	简单开关控制
8 bits	256	0.39%	通用 LED 调光
10 bits	1024	0.098%	电机速度控制
12 bits	4096	0.024%	精密调光
13 bits	8192	0.012%	专业灯光控制
16 bits	65536	0.0015%	高精度仪器

表 17.3.2.3 分辨率级别与精度描述

分辨率与频率的关系：

分辨率、时钟频率和 PWM 频率之间存在严格的数学关系：

计算公式：

$f_{PWM}$ ：PWM 输出频率；
$f_{clk}$ ：时钟源频率 (APB=80MHz, RTC8M=8.5MHz)；
resolution：占空比分辨率位数；
divider：预分频系数 (1-1024)。

实际限制：

更高分辨率 → 更低最大 PWM 频率；
更高PWM频率 → 更低最大分辨率。

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：

形参	描述
ledc_conf	指向配置 LEDC 通道的结构体指针

表 17.3.2.4 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：

结构体	成员变量	可选参数
ledc_channel_config_t	gpio_num ：配置输出引脚	本例程使用的引脚是 GPIO_NUM_1
	speed_mode ：速度模式	LEDC_HIGH_SPEED_MODE：高速模式
	speed_mode ：速度模式	LEDC_LOW_SPEED_MODE: 低速模式
	channel ： LEDC 的输出通道（PWM 的输出通道）	0~7，本例程配置为通道 1
	intr_type：配置中断	使能中断： LEDC_INTR_FADE_END 失能中断： LEDC_INTR_DISABLE
	timer_sel：选择通道的定时器源。定时器索引 ledc_timer_t	LEDC_TIMER_0
		LEDC_TIMER_1
		LEDC_TIMER_2
		LEDC_TIMER_3
		LEDC_TIMER_MAX
	duty ： LEDC 通道的占空比设置	占空比设定范围为0~ $2^{duty\_resolution}$
	hpoint ： led 通道 hpoint 值。表示占空比对应的时钟计数值	无
	output_invert: 启用(1)或禁用(0)gpio 输出反相	无

表 17.3.2.5 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：

形参	描述
speed_mode	速度模式选择： LEDC_HIGH_SPEED_MODE LEDC_LOW_SPEED_MODE
channel	LEDC 通道: (0 - LEDC_CHANNEL_MAX-1)，从 ledc_channel_t 中选择
duty	设置 led 的负载，负载设置范围为: 0~[( $2^{duty\_resolution}$ ) – 1]

表 17.3.2.6 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。

（5）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：

形参	描述
speed_mode	速度模式选择： LEDC_HIGH_SPEED_MODE LEDC_LOW_SPEED_MODE
channel	LEDC 通道: (0 - LEDC_CHANNEL_MAX-1)，从 ledc_channel_t 中选择

表 17.3.2.7 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0 */
#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 *//* 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 = {0};           /* LEDC定时器句柄 */ledc_channel_config_t ledc_channel = {0};       /* 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_dirsPWM)set(include_dirsPWM)set(requiresdriver)idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs} INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)

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。

/*** @brief       程序入口* @param       无* @retval      无*/
void app_main(void)
{esp_err_t ret;uint8_t dir = 1;uint16_t ledpwmval = 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(LEDC_TIMER_10_BIT, 1000);     /* 初始化PWM */while(1) {vTaskDelay(10);if (dir == 1){ledpwmval += 5; /* dir==1 ledpwmval递增 */}else{ledpwmval -= 5; /* dir==0 ledpwmval递减 */}if (ledpwmval > 1005){dir = 0;        /* ledpwmval到达1005后，方向为递减 */}if (ledpwmval < 5){dir = 1;        /* ledpwmval递减到5后，方向改为递增 */}/* 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。