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作者：陳顯達
原文標題：【單晶片入門】(四)應用層軟體開發的單晶片學習之路-----ESP32 開發板 PWM 控制馬達以及中斷的使用
原文連結：https://www.cnblogs.com/1996-Chinese-Chen/p/16846218.html
引言
各位大佬，晚上好啊，在上一篇部落格中，我們講了什麼是 UART 串列通訊，以及使用 USB 轉 TTL 使得單晶片可以和 C# 上位機做一個串列通訊，接下來，為大家帶來 PWM 的概念原理，以及實際案例，使用 PWM 對馬達進行速度調製，因為本課程的最後是做一個紅外線遙控的智慧小車，所以是需要馬達四個，驅動四個，輪胎四個，所以 PWM 對於最後的成果也是極為重要，並且在實際開發中，PWM 也是比較常用的調速方式。
概念
PWM 全稱 Pulse width modulation，中文翻譯為脈波寬度調變，其基本原理為控制方式就是對逆變電路開關元件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等但寬度不一致的脈波，用這些脈波來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個週期中產生多個脈波，使各脈波的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規則對各脈波的寬度進行調製，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。
可能上面對於原理的解釋過於官方，大家可能看不懂，通俗易懂的來說，就是透過對電子元件的電路進行高低電位進行控制，在一段時間內，高低電位在輸出會形成一段波動，這個波動可以稱為 PWM 波形，而我們需要使用程式碼去控制 PWM 的輸出波形，高電位在這一段波動中，通電時間即高電位時間是佔了總時間多少，同時在這一段 PWM 波形中，高低電位來回切換的頻率又是多少，形成了這麼一段波形，這就引入了兩個概念，工作週期 (Duty Ratio) 和頻率，工作週期代表著，高電位通電總時和總時的一個佔比 (這段波形中，高低電位的總共佔用時間)，而頻率則是高低電位在這段波形中，來回切換的一個頻率。
如下圖，下方在 Arduino 序列埠繪圖器中，展示了一段鋸齒波形，看下方的 GIF 我們可以看到對應的馬達運動也是有快到慢的一個運動狀態。
程式碼解析
void setup() {
Serial.begin(9600);
ledcSetup(0, 5000, 8);
ledcAttachPin(12, 0);
}
// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
for (int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 255; dutyCycle++) {
ledcWrite(0, dutyCycle);
delay(7);
Serial.println(dutyCycle);
}
}
在 Arduino 中我們可以使用 LEDC 來實現對 PWM 的控制，而在純 C 樂鑫的開發板中，是可以使用 MCPWM 進行控制，但是由於 Arduino 在此處不能使用 MCPWM，則就有了 LEDC 作為替代品，ESP32 帶有一個 16 通道的一個 LED PWM 控制器，對應使用的是樂鑫的 LED PWM 控制，ESP32 LED PWM，分為 8 路高速通道和 8 路低速通道，然後我們使用不同的頻率，和工作週期來實現控制馬達轉速的控制。
在上面的程式碼中，我們先設定了 ledc 的通道為 0，頻率為 5000，第八個低速 LED 控制器，即程式碼為 ledcSetup(0, 5000, 8);然後需要將通道和引腳進行管理使用 ledcAttachPin(12, 0);將引腳 12 和第 0 個通道關聯起來，在 loop 程式碼中，可以看到，我們寫入的最大工作週期為 255，而 0-255 總數為 256，那是因為，工作週期是和通道有關係的，上文提到，LED 的 PWM 控制器一共有 16 個，此處我們使用 8，而 256 則為 2 的 8 次方的值，所以工作週期最大為 256，如果取值為 10，工作週期的最大值則為 1024-1；ledcwrite(0,dutyCycle);則是將工作週期寫入對應的通道，便完成了 PWM 對馬達進行調速設定。
Arduino 針對 ESP32 樂鑫 PWM 的封裝，目前已知的有 LEDC，不需要安裝，預設就可以使用，而其他的也有對於 PWM 的封裝，個人測試了一兩個倒也沒有這個好用，後續各位朋友也可以繼續探索其他好用的 PWM 庫進行開發。
中斷
在上面講完 PWM 之後，我們再來講一下中斷，以及中斷的一個實際案例。中斷，顧名思義，是在程式執行期間，遇到某一個事件的時候，將暫停手頭上的工作先去執行某一件事情，這個事情則是我們中斷當下工作，去執行的事情，這個動作，稱之為中斷。雖然在程式碼中，可以註冊一個背景任務（在純 C 中），進行不停的 while，但是這樣在效能上還是無法發揮單晶片的功效，所以這種場景下我們便需要使用中斷，來實現我們某種功能，例如使用按鈕，來判斷是否需要打開 LED，或者是其他的行為。
在 Arduino 中，我們可以使用 attachInterrupt 函式來進行對引腳增加中斷以及使用 detachInterrupt 來移除中斷，
attachInterrupt 函式需要三個參數，第一個為中斷需要使用的引腳 pin，第二個為中斷觸發的函式，第三個為中斷的類型，對於 ESP32 的中斷，在 Arduino 中，其方法名前面必須加一個 IRAM_ATTR 標記其為中斷函式，第一個函式中的 digitalPinToInterrupt 為將 27 和中斷進行一個綁定，同時還有其他方法，但是官方均不推薦，
在下方的程式碼中，我們定義了一個 change 的函式用來處理 ESP32 27 引腳的中斷，用 27 引腳的電位控制 LED 引腳 2 的電位，以此來控制是否點亮 LED 燈，先設定引腳 2 為輸出模式，27 引腳為上拉輸入模式，可以理解為上拉電阻的一般都需要用到這種模式，然後我們將引腳 27 和中斷進行關聯，設定中斷函式為 change，模式為 CHANGE。然後在 LOOP 函式中，我們給引腳 2 寫入 state 的值，當進入 change 中斷函式中，會將 state 取反，然後進入 loop 寫入值。以此實現控制 LED 的顯示和不顯示，在這裡，提醒一下，由於在單晶片中，中斷以及計時器都是非阻塞模式，而 Serial.println 函式是阻塞寫入緩衝區，會導致中斷函式會不斷的輸出錯誤，錯誤：Guru Meditation Error: Core 1 panic'ed (Interrupt wdt timeout on CPU1).
這是因為 println 函式阻塞導致計時器無法繼續執行，所以如果非要使用此函式，可以嘗試設定中間變數，然後在 loop 函式中判斷是否改變值，然後進行輸出資訊到序列埠。
可以在下方 GIF 看到，我們使用按鈕進行控制 LED 的顯示和不顯示。
volatile byte state = LOW;
void IRAM_ATTR change()
{
state=!state;
}
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
Serial.begin(9600);
pinMode(2, OUTPUT);
pinMode(27, INPUT_PULLUP);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(27), change, CHANGE);
}
void loop() {
digitalWrite(2, state);// put your main code here, to run repeatedly:
}
可以看到第二個方法是傳入一個 interrupt 的中斷編號，但是 ESP32 上面的中斷編號，不在官方資料中，所以我們只有需要第一個方法來進行引腳和中斷函式的關聯，當然了可能最後一個也是可以，只是此處我沒有嘗試，感興趣的可以進行嘗試，
在 mode 中，Arduino 是支援五種模式，第一種為 LOW,，看翻譯我們知道，這個是在電位處於低電位時會觸發中斷函式，
第二個 CHANGE 是不管是高到低，還是低到高，都會觸發
第三種是引腳在由低電位到高電位時觸發，而不是已經到了高電位觸發，
第四種是下降，當電位由高到低時會觸發中斷函式，
第五種是電位處於高電位時會觸發中斷函式。
結語
今天講了 PWM 還有中斷的使用，可能一次性講的有點多，有點難以消化，有什麼不懂的可以及時問我，以及後面我更新的時間會稍微慢一點，防止講的過快，一時不明白，後面還會有對於 IIC,SPI 的一個案例講解，在這些講完後，我會開始準備最終極的目標，做一個智慧小車，其中會需要的配件，這兩天我會總結好發到群裡，以及購買連結。有感興趣的同學可以加 QQ 群，一起學習，一起討論，博主也是一個剛開始玩單晶片的學徒，後面也會研究 stm32 系列單晶片，歡迎大家加入討論，學習。
