【微控制器入門】(四)應用層軟體開發的微控制器學習之路-----ESP32開發板PWM控制電機以及中斷的使用

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串列埠通訊，以及使用USB轉TTL使得微控制器可以和c#上位機做一個串列埠通訊，接下來，為大家帶來PWM的概念原理，以及實際案例，使用PWM對電機進行速度調變，因為本課程的最後是做一個紅外遙控的智慧小車，所以是需要電機四個，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，中文翻譯為脈衝寬度調變，其基本原理為控制方式就是對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等但寬度不一致的脈衝，用這些脈衝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衝，使各脈衝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衝的寬度進行調變，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，就是通過對電子元器件的電路進行高低電平進行控制，在一段時間內，高低電平在輸出會形成一段波動，這個波動可以成為PWM波形，而我們需要使用程式碼去控制PWM的輸出波形，高電平在這一段波動中，通電時間即高電平時間是佔了總時間多少，同時在這一段PWM波形中，高低電平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，佔空比(Duty Ratio)和頻率，佔空比代表著，高電平通電總時和總時的一個佔比(這段波形中，高低電平的總共佔用時間)，而頻率則是高低電平在這段波形中，來回切換的一個頻率。

如下圖，下方在Arduino串列埠繪圖器中，展示了一段鋸齒波形，看下方的GIF我們可以看到對應的電機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，和佔空比來實現控制電機轉速的控制。

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，我們寫入的最大的佔空比為255，而0-255總數為256，那是因為，佔空比是和通道是有關係的，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，所以佔空比最大為256，如果取值為10，佔空比的最大值則為1024-1；ledcwrite(0,dutyCycle);則是將佔空比寫入對應的通道，便完成了PWM對電機進行調速設定。

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，可以註冊一個後臺任務（在純c中），進行不停的while，但是這樣在效能上還是無法發揮微控制器的功效，所以這種場景下我們便需要使用中斷，來實現我們的某種功能，例如使用按鈕，來判斷是否需要開啟LED，或者是其他的行為。

在Arduino中，我們可以使用attachInterrupt函數來進行對引腳增加中斷以及使用detachInterrupt來移除中斷，

attachInterrupt函數需要三個引數，第一個為中斷需要使用的引腳pin，第二個為中斷觸發的函數，第三個為中斷的型別，對於ESP32的中斷，在Arduino中，其方法名前面必須加一個IRAM_ATTR標記其為中斷函數，第一個函數中的digitalPinToInterrupt為將27和中斷進行一個繫結，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的函數用來處理ESP32 27引腳的中斷，用27引腳的電平控制LED引腳2的電平，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，設定中斷函數為change，模式為CHANGE。然後在LOOP函數中，我們給引腳2寫入state的值，當進入change中斷函數中，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，由於在微控制器中，中斷以及定時器都是非阻塞模式，而Serial.println函數是阻塞寫入緩衝區，會導致中斷函數會不斷的輸出錯誤，錯誤：Guru Meditation Error: Core 1 panic'ed (Interrupt wdt timeout on CPU1).

這是因為println函數阻塞導致定時器無法繼續執行，所過非要使用此函數，可以嘗試設定中間變數，然後在loop函數中判斷是否改變值，然後進行輸出資訊到串列埠。

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數的關聯，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，這個是在電平處於低電平時會觸發中斷函數，

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平到高電平時觸發，而不是已經到了高電平觸發，

第四種是下降，當電平由高到低時會觸發中斷函數，

第五種是電平處於高電平時會觸發中斷函數。

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，一時間不明白，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微控制器的學徒，後面也會研究stm32系列微控制器，歡迎大家加入討論，學習。