Контроллер ШИМ для светодиодов (LEDC)

В ESP32 есть контроллер ШИМ для светодиодов (LED PWM Controller, LEDC), который формирует сигналы ШИМ для управления светодиодами, например для эффекта плавного изменения яркости. Однако его возможности не ограничиваются светодиодами: его можно использовать и для других задач. Если вы не знакомы с ШИМ (PWM), рекомендую сначала прочитать введение в ШИМ здесь.

LEDC включает 16 независимых генераторов ШИМ и поддерживает максимальное разрешение коэффициента заполнения 20 бит. Шестнадцать каналов ШИМ делятся на два типа: 8 высокоскоростных каналов и 8 низкоскоростных.

Note

Высокоскоростные и низкоскоростные каналы: высокоскоростные каналы используют аппаратную логику, которая автоматически меняет коэффициент заполнения ШИМ без рывков, обеспечивая плавную работу. Низкоскоростные каналы, напротив, полагаются на программное управление и меняют коэффициент заполнения вручную.

Контроллер ШИМ может автоматически постепенно увеличивать или уменьшать коэффициент заполнения, обеспечивая плавное затухание и нарастание яркости без участия процессора.

Источник тактирования (Clock Source)

Источник тактирования в микроконтроллере — это что-то вроде сердцебиения системы. Он задаёт регулярные «тики», благодаря которым микроконтроллер отслеживает время и координирует свои задачи. В ESP32 для управления таймерами можно использовать разные источники тактирования.

Доступно четыре высокоскоростных модуля тактирования, которые можно назначить высокоскоростным каналам. Высокоскоростные таймеры ESP32 могут тактироваться от таких источников, как REF_TICK или APB_CLK. В библиотеке esp-hal эти таймеры представлены перечислением timer::Number, которое включает Timer0, Timer1, Timer2 и Timer3.

Также доступно четыре низкоскоростных модуля тактирования, которые можно назначить низкоскоростным каналам. Эти таймеры могут тактироваться от REF_TICK или SLOW_CLOCK. Источником SLOW_CLOCK может быть либо APB_CLK (80 МГц), либо внутренний генератор 8 МГц; выбор между ними задаётся настройкой LEDC_APB_CLK_SEL.

В esp-hal также определены два перечисления: одно для источника тактирования высокоскоростных таймеров (HSClockSource) и другое для низкоскоростных (LSClockSource). Сейчас в каждом из них есть только один вариант: APBClk.

Подробнее см. главу LED PWM Controller (LEDC) в техническом справочном руководстве ESP32.

Расчёт разрешения ШИМ

В ESP-HAL при настройке объекта таймера нужно указать и разрешение коэффициента заполнения, и частоту. Поэтому важно понимать, как по заданной частоте вычислить разрешение и как по заданному разрешению определить частоту.

Эти формулы взяты из технического справочного руководства ESP32, но имена переменных упрощены.

Формула частоты ШИМ-сигнала

Частоту ШИМ-сигнала \( f_{\text{pwm}} \) можно вычислить по формуле:

\[ f_{\text{pwm}} = \frac{f_{\text{LEDC_CLK}}}{\text{clock_divider} \cdot 2^{\text{res_bits}}} \]

Где:

• \( f_{\text{LEDC_CLK}} \) — частота источника тактирования для таймера ШИМ (например, APB_CLK, RC_FAST_CLK, REF_TICK).
• \( \text{clock_divider} \) — коэффициент деления для источника тактирования.
• \( \text{res_bits} \) — разрешение коэффициента заполнения в битах.

Формула разрешения ШИМ

Это формула, выведенная из предыдущей, для расчёта нужного разрешения коэффициента заполнения. \[ \text{res_bits} = \log_2 \left( \frac{f_{\text{LEDC_CLK}}}{f_{\text{pwm}} \cdot \text{clock_divider}} \right) \]

Эта формула даёт разрешение в битах, то есть количество дискретных уровней, доступных для коэффициента заполнения ШИМ-сигнала.

Расчёт максимального разрешения

Максимальное разрешение достигается, когда делитель тактирования (\( \text{clock_divider} \)) равен 1, то есть деление тактового сигнала не применяется. Оно вычисляется так:

\[ \text{Highest Resolution} = \log_2 \left( \frac{f_{\text{LEDC_CLK}}}{f_{\text{pwm}} \cdot 1} \right) \]

Этот расчёт даёт максимальное количество битов, которое можно использовать для коэффициента заполнения при заданной частоте тактирования и частоте ШИМ-сигнала.

Пример:

Для ШИМ-сигнала 1 кГц при APB_CLK 80 МГц:

\[ \text{Highest Resolution} = \log_2 \left( \frac{80,000,000}{1,000 \cdot 1} \right) = \log_2(80,000) \approx 16 \]

Таким образом, максимальное разрешение для ШИМ-сигнала 1 кГц при тактировании 80 МГц составляет 16 бит.

Расчёт минимального разрешения

Согласно даташиту, коэффициент деления находится в диапазоне от 1 до 1023. Минимальное разрешение рассчитывается при максимальном значении делителя тактирования. В этом случае делитель равен \( 1023 + \frac{255}{256} \). Минимальное разрешение вычисляется так:

\[ \text{Lowest Resolution} = \log_2 \left( \frac{f_{\text{LEDC_CLK}}}{f_{\text{pwm}} \cdot \left( 1023 + \frac{255}{256} \right)} \right) \]

Этот расчёт даёт минимальное количество битов, необходимое для управления коэффициентом заполнения на заданной частоте ШИМ-сигнала.

Пример:

Для того же ШИМ-сигнала 1 кГц при APB_CLK 80 МГц:

\[ \text{Lowest Resolution} = \log_2 \left( \frac{80,000,000}{1,000 \cdot 1023.996} \right) = \log_2 \left( \frac{80,000,000}{1,023,996} \right) \approx 6.28 \]

Таким образом, минимальное разрешение для ШИМ-сигнала 1 кГц при тактировании 80 МГц составляет 7 бит.

Часто используемые частоты ШИМ и разрешения

Эта таблица из даташита кратко показывает максимальное и минимальное разрешения для распространённых частот ШИМ с разными источниками тактирования: