脈寬調制（PWM，Pulse Width Modulation）是一種模擬控制技術，通過數字手段來產生模擬效果。它基于一種思路：通過對一系列脈沖的寬度進行調制，從而等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。在電子電路中，PWM 波形通常用于控制模擬電路，因為它具有比傳統模擬方法更高的分辨率和更簡單的電路結構。

PWM 的基本原理

PWM 的基本原理是在一個固定的周期（或稱為“載波周期”）內，改變脈沖信號的高電平時間（或稱為“占空比”）來模擬不同的模擬信號。占空比是指在一個周期內，高電平時間（脈沖寬度）與整個周期時間的比值。例如，如果占空比為 50%，則在一個周期內，高電平時間等于低電平時間。

PWM 的應用

PWM 在許多領域都有廣泛的應用，包括但不限于：

1. LED 亮度控制：通過改變 PWM 的占空比，可以控制 LED 的平均電流，從而控制其亮度。這種方法比傳統的模擬電壓控制更為精確和高效。

2. 電機速度控制：PWM 可以用于控制直流電機或步進電機的速度。通過改變 PWM 的占空比，可以控制電機的平均輸入電壓，從而控制其轉速。

3. 音頻放大：PWM 可以用于音頻放大器的功率控制。與傳統的線性放大器相比，PWM 放大器具有更高的效率和更低的失真。

4. 電源管理：PWM 可以用于電源管理中的電壓調節和電流控制。例如，在計算機電源的 DC-DC 轉換器中，PWM 用于控制輸出電壓。

5. 通信和信號處理：在某些通信和信號處理系統中，PWM 可以用于編碼和解碼信息。

PWM 的優點

1. 分辨率高：PWM 的分辨率僅受限于載波頻率和脈沖寬度的精度。通過提高載波頻率和使用高精度的脈沖寬度控制，可以實現非常高的分辨率。

2. 效率高：由于 PWM 是一種數字控制方法，因此它可以利用數字電路的高效性。與傳統的模擬控制方法相比，PWM 控制通常具有更高的效率。

3. 靈活性強：PWM 可以很容易地通過改變占空比來模擬不同的模擬信號。這使得 PWM 在許多應用中都非常靈活和方便。

4. 抗干擾能力強：由于 PWM 是一種數字信號，因此它具有較強的抗干擾能力。即使在存在噪聲和干擾的情況下，PWM 信號也能保持較好的穩定性和可靠性。

PWM 的實現方式

PWM 的實現方式有很多種，包括軟件 PWM 和硬件 PWM。軟件 PWM 是通過編程來產生 PWM 信號的方法，它通常使用定時器中斷來周期性地改變脈沖的寬度。硬件 PWM 是通過專門的硬件電路來產生 PWM 信號的方法，它通常具有更高的精度和更低的噪聲。在 ESP32 這樣的微控制器中，通常提供了硬件 PWM 支持，使得用戶可以方便地實現 PWM 控制。

ESP32-micropython 中的 PWM 功能

在 ESP32-micropython 中，可以使用 machine 模塊中的 PWM 類來創建和操作 PWM 信號。PWM 對象可以配置為不同的頻率和占空比，以產生所需的輸出信號。

使用 micropython 控制 PWM 的代碼示例

以下是一個簡單的示例，展示了如何使用 ESP32-micropython 和 GPIO 來控制一個 LED 的亮度，模擬呼吸效果。我們將使用一個按鈕（連接到另一個 GPIO）來改變呼吸速度。

import machine
import utime# 配置 PWM 引腳和頻率
led_pin = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)  # 假設 LED 連接到 GPIO 2
pwm = machine.PWM(led_pin)
pwm.freq(1000)  # 設置 PWM 頻率為 1kHz# 配置按鈕引腳
button_pin = machine.Pin(0, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_UP)  # 假設按鈕連接到 GPIO 0，并啟用上拉電阻# 呼吸效果函數
def breathe(brightness_max, speed):brightness = 0increment = brightness_max / 10  # 分為 10 步增加/減少亮度while True:for i in range(brightness_max, 0, -increment):pwm.duty_u16(int(i * 65535 / brightness_max))  # 設置 PWM 占空比utime.sleep_ms(speed)  # 等待一段時間以控制呼吸速度for i in range(0, brightness_max, increment):pwm.duty_u16(int(i * 65535 / brightness_max))utime.sleep_ms(speed)# 初始呼吸速度
speed = 50  # 毫秒try:while True:if not button_pin.value():  # 檢測到按鈕按下# 等待按鈕釋放while not button_pin.value():pass# 改變呼吸速度speed = speed * 2 if speed < 200 else 50  # 如果速度小于 200ms，則加倍；否則重置為 50msprint("Changed breath speed to:", speed, "ms")breathe(255, speed)  # 調用呼吸效果函數
except KeyboardInterrupt:pwm.deinit()  # 清理 PWM 對象machine.reset()  # 重啟設備

代碼介紹

1. 導入必要的模塊：我們導入了 machine 模塊，用于訪問 ESP32 的硬件功能，以及 utime 模塊，用于精確的時間控制。
2. 配置 PWM 和按鈕引腳：我們設置了 LED 和按鈕連接的 GPIO 引腳，并初始化了 PWM 對象，設置了其頻率。
3. 定義呼吸效果函數：這個函數通過改變 PWM 的占空比來模擬呼吸效果。它使用兩個嵌套的 for 循環來逐漸增加和減少亮度。
4. 主循環：在主循環中，我們不斷調用呼吸效果函數。當檢測到按鈕按下時，我們改變呼吸速度。注意，我們使用了簡單的去抖動邏輯來確保只檢測一次按鈕按下。
5. 異常處理：我們使用 try-except 塊來處理可能的 KeyboardInterrupt 異常（例如，用戶按下了復位按鈕）。在異常處理程序中，我們清理了 PWM 對象并重啟了設備。

ESP32-IDF 中的 PWM 功能

ESP32的PWM庫函數主要用于配置和控制PWM（脈寬調制）信號。這些函數通常是在ESP-IDF（Espressif IoT Development Framework）中提供的，以下是對ESP32 PWM庫函數的一些講解：

1. 初始化配置函數

• ledcSetup(uint8_t channel, uint32_t freq, uint8_t resolution_bits)
  • 功能：設置PWM通道的頻率和分辨率。
  • 參數：
    • channel：PWM通道號，范圍從0到15。
    • freq：PWM頻率，最大頻率由公式80000000 / 2^bit_num給出，其中bit_num是分辨率位數。
    • resolution_bits：PWM分辨率位數，支持1到16位。分辨率和頻率成反比。

2. 引腳綁定函數

• ledcAttachPin(uint8_t pin, uint8_t channel)
  • 功能：將GPIO引腳綁定到指定的PWM通道。
  • 參數：
    • pin：要綁定的GPIO引腳號。
    • channel：PWM通道號，與ledcSetup函數中設置的通道對應。

3. 占空比設置函數

• ledcWrite(uint8_t channel, uint32_t duty)
  • 功能：設置指定PWM通道的占空比。
  • 參數：
    • channel：PWM通道號。
    • duty：占空比值，與PWM分辨率有關。

4. 讀取函數

• ledcRead(uint8_t channel)
  • 功能：讀取指定PWM通道的當前占空比值。
  • 參數：channel，PWM通道號。

5. 更改頻率函數

• ledcChangeFrequency(uint8_t chan, uint32_t freq, uint8_t bit_num)
  • 功能：更改PWM通道的頻率和分辨率。
  • 參數：
    • chan：PWM通道號。
    • freq：新的PWM頻率。
    • bit_num：新的PWM分辨率位數。

6. 其他功能函數

• ledcWriteTone(通道,頻率) 和 ledcWriteNote(channel, note, oc)（注意：這些函數可能在某些庫版本中不存在或名稱略有不同）
  • 功能：這些函數允許開發者以特定的頻率或音符播放PWM信號，通常用于音頻應用。

歸納

• 初始化：使用ledcSetup函數設置PWM通道的頻率和分辨率。
• 引腳綁定：使用ledcAttachPin函數將GPIO引腳綁定到PWM通道。
• 占空比控制：使用ledcWrite函數設置PWM通道的占空比。
• 讀取：使用ledcRead函數讀取PWM通道的當前占空比。
• 更改頻率：使用ledcChangeFrequency函數更改PWM通道的頻率和分辨率（如果需要）。
• 其他功能：使用其他函數（如ledcWriteTone和ledcWriteNote）實現特定應用需求。

請注意，以上函數和參數是基于ESP-IDF庫的一般描述，實際使用時可能需要根據具體的庫版本和開發環境進行調整。建議查閱ESP-IDF的官方文檔以獲取最準確和最新的信息。

1. 初始化PWM

首先，需要初始化PWM模塊，并配置PWM通道的參數，如頻率、占空比等。

2. 配置GPIO引腳

需要配置用于PWM輸出的GPIO引腳，以及用于按鈕輸入的GPIO引腳。

3. 編寫呼吸效果函數

這個函數將循環改變PWM的占空比，以模擬呼吸效果。

4. 編寫主循環

在主循環中，檢測按鈕的輸入，并根據需要改變呼吸速度。

示例代碼

#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/pwm.h"
#include "driver/gpio.h"#define LED_PWM_CHANNEL  0   // 假設使用PWM通道0
#define LED_GPIO_NUM     2   // 假設LED連接到GPIO 2
#define BUTTON_GPIO_NUM  0   // 假設按鈕連接到GPIO 0
#define PWM_HZ           1000// PWM頻率設置為1kHz
#define BREATHE_MAX      1023// 占空比最大值（10位PWM）static void breathe_led(uint16_t max_brightness, uint32_t speed_ms);void app_main(void)
{// 初始化PWMpwm_config_t pwm_config = {.freq_hz = PWM_HZ,.duty_mode = PWM_DUTY_MODE_MS,.intr_mode = PWM_INTR_DISABLE,.output_select_low = PWM_OUTPUT_LOW_HIGH,.clk_sel = PWM_SEL_APB_CLK,};pwm_init(LED_PWM_CHANNEL, &pwm_config, 1, NULL);pwm_set_pin(LED_PWM_CHANNEL, LED_GPIO_NUM);// 初始化GPIO（按鈕）gpio_pad_select_gpio(BUTTON_GPIO_NUM);gpio_set_direction(BUTTON_GPIO_NUM, GPIO_MODE_INPUT);gpio_set_pull_mode(BUTTON_GPIO_NUM, GPIO_PULLUP_ONLY);// 初始呼吸速度uint32_t speed_ms = 50;// 呼吸效果主循環while (1) {if (gpio_get_level(BUTTON_GPIO_NUM) == 0) { // 檢測到按鈕按下// 等待按鈕釋放（簡單去抖動）vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(20));if (gpio_get_level(BUTTON_GPIO_NUM) == 0) {// 改變呼吸速度speed_ms = (speed_ms < 200) ? speed_ms * 2 : 50;printf("Changed breath speed to: %d ms\n", speed_ms);// 稍微等待以確保按鈕完全釋放vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(20));}}breathe_led(BREATHE_MAX, speed_ms);}
}static void breathe_led(uint16_t max_brightness, uint32_t speed_ms)
{uint16_t brightness = 0;uint16_t increment = max_brightness / 10; // 分為10步增加/減少亮度while (1) {for (brightness = 0; brightness <= max_brightness; brightness += increment) {pwm_set_duty(LED_PWM_CHANNEL, 0, brightness);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(speed_ms));}for (brightness = max_brightness; brightness > 0; brightness -= increment) {pwm_set_duty(LED_PWM_CHANNEL, 0, brightness);vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(speed_ms));}}
}