????????本章將介紹使用 ESP32-S3 LED 控制器(LEDC)。 LEDC 主要用于控制 LED，也可產生PWM信號用于其他設備的控制。該控制器有 8 路通道，可以產生獨立的波形，驅動 RGB LED 等設備。 LED PWM 控制器可在無需 CPU 干預的情況下自動改變占空比，實現亮度漸變。 ESP32-S3 IDF 提供了兩種方式改變 PWM，一種是通過軟件改變 PWM 占空比，另一種是通過硬件改變PWM 占空比，這兩種方式都會學習。通過本章將學習到通過軟件改變PWM 占空比的運用。本章分為如下幾個小節：
17.1 PWM 簡介
17.2 硬件設計
17.3 程序設計
17.4 下載驗證

17.1 PWM 簡介

（1） PWM 原理解析
PWM（Pulse Width Modulation），簡稱脈寬調制，是一種將模擬信號變為脈沖信號的計數。PWM 可以控制 LED 亮度、直流電機的轉速等。
PWM 的主要參數如下：
① PWM 頻率：PWM 頻率是 PWM 信號在 1s 內從高電平到低電平再回到高電平的次數，
也就是說 1s 內有多少個 PWM 周期，單位為 Hz。
② PWM 周期：PWM 周期是 PWM 頻率的倒數，即 T=1/f， T 是 PWM 周期， f 是 PWM 頻率。如果 PWM 頻率為 50Hz，也就是說 PWM 周期為 20ms，即 1s 由 50 個 PWM 周期。
③ PWM 占空比：PWM 占空比是指在一個 PWM 周期內，高電平的時間與整個周期時間的比例，取值范圍為 0%~100%。例如，如果 PWM 周期是 10ms，而脈寬時間為 8ms，那么 PWM 占空比就是8/10=80%，此時的 PWM 信號就是占空比為 80%的 PWM 信號。 PWM 名為脈沖寬度調制，顧名思義，就是通過調節 PWM 占空比來調節 PWM 脈寬時間。PWM 占空比如下圖所示。

圖 17.1.1 PWM 占空比

????????在使用 PWM 控制 LED 時，亮 1s 后滅 1s，往復循環，就可以看到 LED 在閃爍。如果把這個周期縮小到 200ms，亮 100ms 后滅 100ms，往復循環，就可以看到 LED 燈在高頻閃爍。繼續
把這個周期持續縮小，總有一個臨界值使人眼分辨不出 LED在閃爍，此時 LED的亮度處于滅與
亮之間亮度的中間值，達到了 1/2 亮度。 PWM 占空比和亮度的關系如下圖所示。

圖 17.1.2 PWM 占空比和亮度的關系

（2）ESP32 的 LED PWM 控制器介紹
ESP32-S3 的 LED PWM 控制器，簡寫為 LEDC，用于生成控制 LED 的脈沖寬度調制信號。
LED PWM 控制器具有八個獨立的 PWM 生成器（即八個通道）。每個 PWM 生成器會從四個通用定時器中選擇一個，以該定時器的計數值作為基準生成 PWM 信號。 LED PWM 定時器如下圖所示。

圖 17.1.1.1 LED_PWM 的定時器

????????為了實現 PWM 輸出，先需要設置指定通道的 PWM 參數：頻率、分辨率、占空比，然后將該通道映射到指定引腳，該引腳輸出對應通道的 PWM 信號，通道和引腳的關系所下圖所示。

圖 17.1.1.2 LED PWM 輸出示意圖

????????另外， LED PWM 控制器可在沒有 CPU 干預的情況下自動改變占空比，實現亮度以及顏色
漸變。

17.2 硬件設計

17.2.1 例程功能
通過軟件改變 PWM 的形式使得 LED 由亮到暗，再由暗到亮，依次循環。
17.2.2 硬件資源
1. LED
LED-IO1
2. 定時器 1
通道 1 - IO1

17.2.3 原理圖

????????本章實驗使用的定時器 1 為 ESP32-S3 的片上資源，因此沒有對應的連接原理圖。

17.3 程序設計

17.3.1 程序流程圖
本實驗的程序流程圖：

圖 17.3.1.1 SW_PWM 實驗程序流程圖

17.3.2 SW_PWM 函數解析
ESP-IDF 提供了一套 API 來配置 PWM。要使用此功能，需要導入必要的頭文件：

#include "driver/ledc.h"

????????接下來，將介紹一些常用的 SW_PWM 函數，這些函數的描述及其作用如下：
（1）配置 LEDC 使用的定時器為定時器1
需要注意的一點是，在首次配置LEDC時，建議先配置定時器(調用函數ledc_timer_config())，再配置通道(調用函數ledc_channel_config())。這樣可以確保IO引腳上的PWM信號自輸出開始那一刻起，其頻率就是正確的。
要設置定時器，可調用函數 ledc_timer_config()，需要將一些參數的數據結構傳遞給該函數，該函數原型如下所示：

esp_err_t ledc_timer_config(const ledc_timer_config_t *timer_conf);

????????該函數的形參描述，如下表所示：

表 17.3.2.1 函數 ledc_timer_config ()形參描述

????????返回值： ESP_OK 表示配置成功，其他配置失敗。
該函數使用 ledc_timer_config_t 類型的結構體變量傳入，該結構體的定義如下所示：

表 17.3.2.2 ledc_timer_config_t 結構體參數值描述

特別再介紹下duty_resolution（占空比分辨率）：

????????占空比分辨率是 PWM 控制中的核心概念，它決定了你能以多精細的級別控制輸出信號的強度。在 ESP32 的 LEDC (LED PWM Controller) 中，這是一個關鍵配置參數。

分辨率級別與精度：

????????表 17.3.2.3 分辨率級別與精度描述

分辨率與頻率的關系：

分辨率、時鐘頻率和 PWM 頻率之間存在嚴格的數學關系：

??計算公式??：

• ：PWM 輸出頻率；
• ：時鐘源頻率 (APB=80MHz, RTC8M=8.5MHz)；
• ??resolution??：占空比分辨率位數；
• ??divider??：預分頻系數 (1-1024)。

實際限制??：

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

????????完成上述結構體參數配置之后，可以將結構傳遞給 ledc_timer_config () 函數，用以實例化SW_PWM 并返回 SW_PWM 句柄。 另外時鐘源同樣可以限制 PWM 頻率。選擇的時鐘源頻率越高，可以配置的 PWM 頻率上限就越高。

（2）通道配置函數
該函數原型如下所示：

esp_err_t ledc_channel_config(const ledc_channel_config_t *ledc_conf);

????????該函數的形參描述，如下表所示：

表 17.3.2.4?函數 ledc_channel_config ()形參描述

????????返回值： ESP_OK 表示配置成功，其他配置失敗。
該函數使用 ledc_channel_config_t 類型的結構體變量傳入，該結構體的定義如下所示：

結構體	成員變量	可選參數
ledc_channel_config_t	gpio_num ： 配置輸出引腳	本例程使用的引腳是 GPIO_NUM_1
	speed_mode ： 速度模式	LEDC_HIGH_SPEED_MODE： 高速模式
		LEDC_LOW_SPEED_MODE: 低速模式
	channel ： LEDC 的輸出通道（PWM 的輸出通道）	0~7，本例程配置為通道 1
	intr_type： 配置中斷	使能中斷： LEDC_INTR_FADE_END 失能中斷： LEDC_INTR_DISABLE
	timer_sel： 選擇通道的定時器源。 定時器索引 ledc_timer_t	LEDC_TIMER_0
		LEDC_TIMER_1
		LEDC_TIMER_2
		LEDC_TIMER_3
		LEDC_TIMER_MAX
	duty ： LEDC 通道的占空比設置	占空比設定范圍為0~
	hpoint ： led 通道 hpoint 值。 表示 占空比對應的時鐘計數值	無
	output_invert: 啟 用(1)或禁 用(0)gpio 輸 出反相	無

表 17.3.2.5 ledc_channel_config_t 結構體參數值描述

????????完成上述結構體參數配置之后，可以將結構傳遞給 ledc_channel_config() 函數，用以實例化
PWM 通道。

（3）改變 PWM 占空比
調用函數 ledc_set_duty()可以設置新的占空比。之后，調用函數 ledc_update_duty()使新配置生效。要查看當前設置的占空比，可使用 get 函數 ledc_get_duty()，該函數原型如下所示：

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

????????該函數的形參描述，如下表所示：

形參	描述
speed_mode	速度模式選擇： LEDC_HIGH_SPEED_MODE LEDC_LOW_SPEED_MODE
channel	LEDC 通道: (0 - LEDC_CHANNEL_MAX-1)，從 ledc_channel_t 中選擇
duty	設置 led 的負載，負載設置范圍為: 0~[() – 1]

表 17.3.2.6 函數 ledc_set_dut ()形參描述

????????返回值： ESP_OK 表示配置成功，其他配置失敗。

（5）改變 PWM 占空比
在上一步調用 ledc_set_duty()設置新的占空比后，調用函數 ledc_update_duty()使新配置生效，該函數原型如下所示：

esp_err_t ledc_update_duty(ledc_mode_t speed_mode, ledc_channel_t channel);

????????該函數的形參描述，如下表所示：

表 17.3.2.7 函數 ledc_update_duty()形參描述

????????返回值： ESP_OK 表示配置成功，其他配置失敗。

17.3.3 SW_PWM 驅動解析
在 IDF 版的 08-1_sw_pwm 例程中，作者在 08-1_sw_pwm \components\BSP 路徑下新增了一個 PWM 文件夾，用于存放 pwm.c 和 pwm.h 這兩個文件。其中， pwm.h 文件負責聲明SW_PWM相關的函數和變量，而 pwm.c 文件則實現了 SW_PWM 的驅動代碼。下面，我們將詳細解析這兩個文件的實現內容。
（1）pwm.h 文件

/* 引腳以及重要參數定義 */
#define LEDC_PWM_TIMER          LEDC_TIMER_1        /* 使用定時器0 */
#define LEDC_PWM_CH0_GPIO       GPIO_NUM_1          /* LED控制器通道對應GPIO */
#define LEDC_PWM_CH0_CHANNEL    LEDC_CHANNEL_1      /* LED控制器通道號 *//* 函數聲明 */
void pwm_init(uint8_t resolution, uint16_t freq);   /* 初始化PWM */
void pwm_set_duty(uint16_t duty);                   /* PWM占空比設置 */

（2）pwm.c 文件

/*** @brief       初始化PWM* @param       resolution： PWM占空比分辨率*              freq： PWM信號頻率* @retval      無*/
void pwm_init(uint8_t resolution, uint16_t freq)
{ledc_timer_config_t ledc_timer = {0};           /* LEDC定時器句柄 */ledc_channel_config_t ledc_channel = {0};       /* LEDC通道配置句柄 *//* 配置LEDC定時器 */ledc_timer.duty_resolution = resolution;        /* PWM占空比分辨率 */ledc_timer.freq_hz = freq;                      /* PWM信號頻率 */ledc_timer.speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE;    /* 定時器模式 */ledc_timer.timer_num = LEDC_PWM_TIMER;          /* 定時器序號 */ledc_timer.clk_cfg = LEDC_AUTO_CLK;             /* LEDC時鐘源 */ledc_timer_config(&ledc_timer);                 /* 配置定時器 *//* 配置LEDC通道 */ledc_channel.gpio_num = LEDC_PWM_CH0_GPIO;      /* LED控制器通道對應引腳 */ledc_channel.speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE;  /* LEDC模式 */ledc_channel.channel = LEDC_PWM_CH0_CHANNEL;    /* LEDC控制器通道號 */ledc_channel.intr_type = LEDC_INTR_DISABLE;     /* LEDC失能中斷 */ledc_channel.timer_sel = LEDC_PWM_TIMER;        /* 定時器序號 */ledc_channel.duty = 0;                          /* 占空比值 */ledc_channel_config(&ledc_channel);             /* 配置LEDC通道 */
}/*** @brief       PWM占空比設置* @param       duty：PWM占空比* @retval      無*/
void pwm_set_duty(uint16_t duty)
{ledc_set_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LEDC_PWM_CH0_CHANNEL, duty); /* 設置占空比 */ledc_update_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LEDC_PWM_CH0_CHANNEL);    /* 更新占空比 */
}

????????LEDC 定時器設置好后，請配置所需的通道（ledc_channel_t）。配置通道需調用函數ledc_channel_config()。通道的配置與定時器設置類似，需向通道配置函數傳遞相應的結構體ledc_channel_config_t。此時，通道會按照 ledc_channel_config_t 的配置開始運作，并在選定的
GPIO 上生成由定時器指定的頻率和占空比的 PWM 信號。
調用函數 ledc_set_duty()可以設置新的占空比。之后，調用函數 ledc_update_duty()使新配置生效。為了方便使用，筆者將這兩個函數進行了“封裝”，通過傳參的形式來配置 PWM 占空比。
關于配置過程中所涉及到的結構體成員變量的含義以及用法，請讀者們回顧本章節前面的內容。

17.3.4 CMakeLists.txt 文件
打開本實驗 BSP 下的 CMakeLists.txt 文件，其內容如下所示：

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 實驗應用代碼
打開 main/main.c 文件，該文件定義了工程入口函數，名為 app_main。該函數代碼如下。

/*** @brief       程序入口* @param       無* @retval      無*/
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遞增 */}else{ledpwmval -= 5; /* dir==0 ledpwmval遞減 */}if (ledpwmval > 1005){dir = 0;        /* ledpwmval到達1005后，方向為遞減 */}if (ledpwmval < 5){dir = 1;        /* ledpwmval遞減到5后，方向改為遞增 */}/* 設置占空比 */pwm_set_duty(ledpwmval);}
}

????????從上面的代碼中可以看到，在初始化 LEDC 定時器，并輸出 PWM 后，就不斷地改變定時器 0 的值，以達到改變 PWM 占功比的目的。又因為 PWM 由 IO1 引腳輸出， IO1 引腳連接至LED，所以 LED 的亮度也會隨之發生變化，從而實現呼吸燈的效果。

17.4 下載驗證

? ? ? ? 在完成編譯和燒錄后，可以看到板子上的 LED 先由暗再逐漸變亮，以此循環，實現了呼吸燈的效果。