1 ESP32上的PWM资源

ESP32本身提供了两种PWM输出，分别是

1.1 LED PWM 控制器 (LEDC)

ESP32上提供最高16路 LEDC的PWM输出，其中8路为高速PWM，8路为低速PWM，而高低速通道都分别含有4个对应的高/低速时钟。
在这里插入图片描述

该PWM输出主要针对LED的驱动（但实际应用中不限制）。这个针对是因为其预定义了类似逐渐增加占空比等操作，可以在不占用处理器资源的情况下，实现对亮度（幅值）和颜色（频率）的调控。

1.2 电机控制脉宽调制器 (MCPWM)

ESP32提供6个该PWM输出，含有两个MCPWM外设，每个外设可以提供3个PWM通道。
该PWM个人理解是包含更多高级的功能，但对于PWM波形的控制则相对没有LEDC的精细。
结构如下图所示，可以看到除了分频器、计时器、和操作器外，还包含了错误检测，专用捕获模块（例如捕获电机转速等）
在这里插入图片描述

2 ESP32-Arduino使用PWM资源

首先，上述的两个资源并不都在ESP32-Arduino上提供支持，仅LEDC提供支持（查询支持的外设）。
因此我们下文主要集中在LEDC中。但参考上一篇blogESP32+Arduino+VS code开发环境搭建+BLINK，若确实需要MCPWM，可以考虑在程序中调用ESP-IDF的语法去使用，这应该是可能的。

2.1 LEDC的频率与解析度

与Arduino Uno板的8位固定PWM解析度不同，ESP32的PWM解析度是动态的，与设定相关。
解析度：即输出PWM波输出中，对时间的离散化精度，对应的结果，若是等频率，改变占空比以改变等效幅值的应用中，会得到更精细的等效电压输出。例如，对于UNO，8位的解析度，则最小的变化电压是1/256*3.3V=0.01289V，而若是10位的解析度，则为0.0032V。
解析度的解释
对于ESP32的LEDC输出，其最高解析度可以根据下式计算并向下取整，具体原因可参照下一节的解析。
$[log_2(\frac{80MHz}{PWM输出频率})]_{floor}$

2.2 LEDC的结构

其中一路高速时钟+高速通道的结构如下所示，下面参照这一路对PWM波形产生的过程进行解释。
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时钟输入
在高速分频器中，可以选择REF_TICK或APB_CLK，REF_TICK是APB_CLK经过分频后再得到的，因此小于APB_CLK。
默认情况下（即不对CPU的时钟进行修改），APB_CLK=80MHz。

一般来说，CPU在低功耗时，会采用RTC8M_CLK时钟工作，LEDC的低速通道可以采用REF_TICK或SLOW_CLOCK进行工作，而SLOW_CLOCK时钟可以选择采用RTC8M_CLK工作。
即当ESP32进入低功耗时，所有的外设都会应APB_CLK关闭而不能工作，而低速LEDC则可以正常工作，可以实现待机亮灯的操作。

信号频率配置
时钟信号会依次经过分频器和计数器，产生供后续比较用的信号。
计数器的周期直接决定了最后PWM的周期，即，如下图所示，从0到溢出值的过程对应了PWM波形的一个周期。
而频率的计算则如下式所示：
$f_{PWM}=\frac{f_{clock}}{分频系数*溢出值}$
分频系数由LEDC_CLK_DIV_NUM_HSTIMERx决定
溢出为 $2^{LEDC\_HSTIMERx\_DUTY\_RES}$
PWM波形的产生
以下述图为例，上部分为经过分频器产生的计数信号，而下面则为实际输出的PWM波形。通过比较计数信号与hpoint，lpoint的值，决定了输出高电平的区间。

在这里对上述解析度的计算进行解释。从上图我们可以看出，在一个周期内，即从0到溢出值的过程，溢出值的大小直接决定了区间内脉冲的最小时间宽度。例如溢出值为256，则，最小的时间精度为1/256*一个周期时间。
因此，为了得到最高的解析度，首先肯定不希望对时钟进行分频，因为：
$溢出值=\frac{时钟频率}{输出频率}$
即若80MHz的时钟，为了输出40MHz的信号，则计数器只能在0,1之间变化，此时占空比只能为50%，解析度为1。而若输出20MHz的信号，则计数器可以在0,1,2,3间变化，则可以输出25%,50%,75%的信号，解析度为2。
这样，便可以计算出在当前时钟下可以实现的最大解析度了，默认情况下可以用上面的log式子进行计算（假设了时钟为80Hz）

并且，支持如下所示的渐变占空比的设定，并且增大减小的方向，与每次增大减小的步长都可以进行调整。
相关寄存器：
LEDC_DUTY_INC_HSCHn：决定方向；
LEDC_DUTY_SCALE_HSCHn：决定每次渐变的步长；
LEDC_DUTY_NUM_HSCHn：决定渐变的步数；
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2.3 LEDC的使用

输出一个5kHz，60%工作周期（40%占空比）的PWM讯号
基本逻辑：配置PWM通道–>指定输出引脚–>输出

double ledcSetup(uint8_t channel, double freq, uint8_t resolution_bits);//返回值为设定频率，若放回0表示配置失败
void ledcWrite(uint8_t chan, uint32_t duty);
uint32_t ledcRead(uint8_t chan);读取设定duty
void ledcAttachPin(uint8_t pin, uint8_t chan);
void ledcDetachPin(uint8_t pin);

uint32_t brightness=0;

void setup(){
    ledcSetup(0, 5000, 10); //通道0， 5KHz，10位解析度
    ledcAttachPin(25, 0); //pin25定义为通道0的输出引脚
}

void loop(){
    ledcWrite(0, brightness); // 通道0输出， PWM输出0~100%（0~2^10=1024）
    printf("%u\n", brightness);
    if (!(++brightness % 1024)){
        brightness=0;
    }
}

调控PWM讯号的频率-让扬声器发出固定音量，不同音调的声音

ESP32不支持Arduino的tone()函数

double ledcWriteTone(uint8_t chan, double freq); // 设定LEDC通道以50%占空比发出指定频率声音，返回freq，若返回0则存在错误；
double ledcWriteNote(uint8_t chan, note_t note, uint8_t octave); // 按照音名、音阶来指定发声。

参考音阶、音名
在这里插入图片描述

void setup(){
	ledcSetup(0, 20000, 10);
	ledcAttachPin(25, 0);
}
void loop(){
	ledcWriteTone(0, 262); // 在通道0产生262Hz的频率
	ledcWriteNote(0, Note_C, 4); // 在通道里产生C4音（即262Hz），等效

	ledcWriteTone(0, 0); // 停止输出
}

附一个无源蜂鸣器驱动的程序

typedef struct data{
    uint32_t pitch; // 音高频率
    uint16_t interval; // 间隔时间
} note;

note tones[] = {    
    {659, 1000},
    {440, 1000}
};

byte toneSize = sizeof(tones) / sizeof(note);

void alarmSnd(){
    static uint8_t i = 0;
    ledcWriteTone(0, tones[i].pitch);
    delay(tones[i].interval);
    if (++i % toneSize==0){
        i = 0;
    }
}

void setup(){
    ledcSetup(0, 20000, BITS);
    ledcAttachPin(BUZZER_PIN, 0);
}

void loop(){
    alarmSnd();
}