ШИМ ESP32: контроллер LEDC, каналы и таймеры

Каналы, группы и таймеры

Ключ к пониманию LEDC — разделение ролей. По документации Arduino-ESP32 канал отвечает за скважность и вывод, а таймер — за частоту и разрешение. Несколько каналов одной группы могут работать от одного таймера. Значит, у ESP32 может быть 16 разных скважностей, но не больше 8 разных частот одновременно, по 4 на группу.

Группы по ESP-IDF различаются поведением. Высокоскоростная группа меняет настройки таймера бесперебойно — на следующем переполнении, без сбоя импульса. В низкоскоростной изменения применяет программа, и драйвер делает это сам. В Arduino-ESP32 каналы 0–7 относятся к одной группе, 8–15 — к другой.

Частота и разрешение

Частота и разрешение связаны: чем выше частота, тем меньше ступеней скважности. ESP-IDF приводит ориентиры для такта APB 80 МГц: на 5 кГц доступно до 13 бит — 8192 ступени, а наибольшая частота — 40 МГц при разрешении 1 бит, то есть только меандр. Произведение частоты на 2^n не может превышать частоту такта таймера. Подобрать разрешение и делитель для своей частоты поможет калькулятор LEDC.

Источники такта по ESP-IDF:

Скважность задаётся числом от 0 до 2^n, где n — разрешение. ESP-IDF предупреждает о тонкости ESP32: если таймер работает с наибольшим возможным для частоты разрешением, значение 2^n задавать нельзя — внутренний счётчик переполнится.

Arduino-ESP32

В актуальном ядре Arduino-ESP32 работа с ШИМ упрощена — канал выбирается автоматически:

const int LED = 2;

void setup() {
  ledcAttach(LED, 5000, 13);   // 5 kHz, 13-bit resolution
}

void loop() {
  ledcWrite(LED, 4096);        // about 50 % duty
  delay(1000);
  ledcFade(LED, 0, 8191, 2000); // hardware fade to full brightness in 2 s
  delay(3000);
}

Что важно по документации Arduino-ESP32:

• ledcAttach(pin, freq, resolution) — подключает вывод; разрешение у ESP32 от 1 до 20 бит. ledcAttachChannel делает то же с явным номером канала.
• ledcWrite(pin, duty) — задаёт скважность числом от 0 до 2^n.
• ledcChangeFrequency(pin, freq, resolution) — меняет частоту таймера, а значит, у всех каналов, которые его делят.
• ledcFade — аппаратное плавное изменение скважности без участия процессора.
• analogWrite(pin, value) — совместимая с Arduino функция со значением 0–255; частоту и разрешение для вывода меняют analogWriteFrequency и analogWriteResolution.

Главная ловушка — общие таймеры. Если подключить два вывода с одинаковыми частотой и разрешением, они займут один таймер, и ledcChangeFrequency на первом изменит частоту и второго. Документация советует либо сразу задавать разные частоты, либо разносить выводы по группам — например, каналы 0 и 8.

ESP-IDF

В ESP-IDF настройка идёт в два шага, и порядок важен: сначала таймер ledc_timer_config с частотой, разрешением и источником такта, затем канал ledc_channel_config с выводом, таймером и скважностью. ESP-IDF советует именно такой порядок — тогда сигнал на выводе сразу появляется с нужной частотой. Скважность меняют парой ledc_set_duty и ledc_update_duty, частоту — ledc_set_freq, а плавное изменение — функциями ledc_set_fade_with_time и ledc_fade_start после установки службы ledc_fade_func_install.

ШИМ и сон

По ESP-IDF драйвер LEDC не запрещает чипу засыпать. По умолчанию в Light-sleep выход ШИМ не работает. Режим LEDC_SLEEP_MODE_KEEP_ALIVE сохраняет сигнал во сне, если таймер тактируется от совместимого источника — RC_FAST_CLK, — но тогда в сне растёт ток: источник такта и домен питания LEDC не выключаются. В глубоком сне ШИМ не работает — подробнее о режимах в статье «Глубокий сон ESP32».

Другие периферийные блоки и отличия чипов — в разделе ESP32, общий расчёт частоты и скважности — в калькуляторе ШИМ.