ESP32-S3的软件脉冲宽度调制（SW_PWM）

引言

ESP32-S3 LED 控制器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，本博客讲解软件脉冲宽度调制的方法

什么是脉冲宽度调制（PWM）🤔

脉冲宽度调制（PWM）是一种在数字系统中模拟模拟信号的方法。通过改变脉冲的宽度，我们可以控制电源的输出，从而控制例如LED的亮度或电机的速度。

ESP32-S3的SW_PWM 控制器

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 控制器具有如下特性:

• 八个独立的 PWM 生成器（即八个通道）
• 四个独立定时器，可实现小数分频
• 占空比自动渐变（即 PWM 信号占空比可逐渐增加或减小，无须处理器干预），渐变完成时产生中断
• 输出 PWM 信号相位可调
• 低功耗模式 (Light-sleep mode) 下可输出 PWM 信号
• PWM 最大精度为 14 位
  
  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，同时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。
  

ESP32-S3的SW_PWM功能允许我们通过软件来控制PWM，而不需要额外的硬件。这意味着我们可以使用任何GPIO引脚作为PWM输出，极大地提高了系统的灵活性。

如何使用ESP32-S3的SW_PWM

要使用ESP32-S3的SW_PWM，我们需要进行以下步骤：

1. 配置LEDC 使用的定时器为定时器 1
2. 配置LEDC 使用的通道为通道 1
3. 配置LEDC 定时器占空比值

✨注意，与 ESP32 不同，ESP32-S3 仅支持设置通道为低速模式。

1️⃣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()

esp_err_t ledc_timer_config(const ledc_timer_config_t *timer_conf);

函数形参描述：

形参	描述
timer_conf	指向配置LEDC定时器的结构体指针

函数返回值描述：

返回值	描述
ESP_OK	返回0，配置成功
ESP_ERR_INVALID_ARG	参数错误
ESP_FAIL	无法根据给定的频率和当前的duty_solution找到合适的预分频器编号

该函数使用ledc_timer_config_t类型的结构体变量传入LEDC的配置参数。

2️⃣配置 LEDC 使用的通道为通道1

✨调用ledc_channel_config()来配置通道

esp_err_t ledc_channel_config(const ledc_channel_config_t *ledc_conf);

函数形参描述：

形参	描述
ledc_conf	指向配置LEDC通道的结构体指针

函数返回值描述：

返回值	描述
ESP_OK	返回0，配置成功
ESP_ERR_INVALID_ARG	参数错误

该函数使用ledc_channel_config_t类型的结构体变量传入LEDC的通道配置参数。

3️⃣配置LEDC 定时器占空比值

✨ledc_set_duty 函数用于设置指定LEDC通道的占空比值

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

函数形参描述：

形参	描述
speed_mode	LEDC的速度模式，指定LED控制器的速度模式
channel	LEDC通道的索引，指定要配置的通道
duty	LEDC通道的占空比值，即PWM信号的占空比

🔮占空比怎么计算
如果设置了某个通道的PWM分辨率为16位，那么duty的值理论上可以在0到65535之间变化（因为2^16 = 65536，包括0和65535两个极端值），如果配置占空比为$70\%$
$$duty=70\%\times 65535=0.7\times 65535\approx 45874$$

函数返回值描述：
该函数返回ESP_OK（0）表示配置成功👌。

✨ledc_update_duty 函数用于更新指定LEDC通道的占空比值。
在调用 ledc_set_duty 函数设置占空比后，必须调用 ledc_update_duty 函数才能使设置生效。它的功能是更新指定通道的占空比，确保之前设置的占空比值在LEDC的通道中生效。

函数原型：

esp_err_t ledc_update_duty(ledc_mode_t speed_mode, ledc_channel_t channel);

函数形参描述：

形参	描述
speed_mode	LEDC的速度模式，指定LED控制器的速度模式
channel	LEDC通道的索引，指定要更新占空比的通道

函数返回值描述：
该函数返回ESP_OK（0）表示更新成功👌。

示例如何使用ESP32-S3的SW_PWM来控制一个LED的亮度：

#include "driver/ledc.h"

#define LEDC_TIMER          LEDC_TIMER_1          // LEDC定时器
#define LEDC_MODE           LEDC_LOW_SPEED_MODE   // LEDC模式
#define LEDC_CH1_GPIO       (10)                 // LEDC通道1 GPIO引脚
#define LEDC_CH1_CHANNEL    LEDC_CHANNEL_1       // LEDC通道1
#define LEDC_TEST_DUTY      (4000)               // LEDC测试占空比
#define LEDC_TEST_FADE_TIME (3000)               // LEDC测试淡入淡出时间

void app_main(void)
{
    // ①：配置LEDC使用的定时器为定时器1
    ledc_timer_config_t ledc_timer = {
        .duty_resolution = LEDC_TIMER_13_BIT, // PWM占空比分辨率
        .freq_hz = 5000,                      // PWM信号频率
        .speed_mode = LEDC_MODE,              // 定时器模式
        .timer_num = LEDC_TIMER               // 定时器索引
    };
    // 使用之前准备好的配置设置定时器
    ledc_timer_config(&ledc_timer);

    // ②：配置LEDC使用的通道为通道1
    ledc_channel_config_t ledc_channel = {
        .channel    = LEDC_CH1_CHANNEL, // LEDC通道号设置为通道1
        .duty       = 0,                 // 初始占空比为0
        .gpio_num   = LEDC_CH1_GPIO,    // GPIO引脚设置为LEDC_CH1_GPIO
        .speed_mode = LEDC_MODE,        // 使用LEDC模式
        .hpoint     = 0,                 // 占空比更新点设为0
        .timer_sel  = LEDC_TIMER        // 使用LEDC定时器1
    };

    // 使用之前准备好的配置设置LEDC通道
    ledc_channel_config(&ledc_channel);

    // ③：配置LEDC定时器占空比值
    ledc_set_duty(ledc_channel.speed_mode, ledc_channel.channel, LEDC_TEST_DUTY);
    ledc_update_duty(ledc_channel.speed_mode, ledc_channel.channel);
}

结论

参考资料乐鑫官方文档👇
🚩LED PWM 控制器