4. 定时器与PWM输出：ESP Timer、LEDC与呼吸灯实战

定时器和PWM，是嵌入式开发里最常用的外设之一。ESP32的硬件定时器精度很高，LEDC控制器更是专门为PWM输出设计的。这一章，我带你把这些东西彻底搞明白。

4.1 ESP Timer：高精度定时器

ESP32内部有4组64位通用定时器，每组都可以独立配置。它们基于APB时钟，最高精度能达到1微秒级别。我个人习惯把ESP Timer叫做“硬件定时器”，因为它不依赖FreeRTOS的软件定时器，中断响应非常快。

4.1.1 基本配置流程

使用ESP Timer，一般分三步走：

1. 分配定时器：调用 timer_init()，指定定时器组、索引和分频系数。
2. 设置报警值：调用 timer_set_alarm_value()，告诉定时器什么时候触发中断。
3. 注册中断回调：调用 timer_isr_callback_add()，把我们的处理函数挂上去。

看个例子：

#include "driver/timer.h"

#define TIMER_DIVIDER         16  // 分频系数
#define TIMER_SCALE           (TIMER_BASE_CLK / TIMER_DIVIDER)  // 转为微秒

static bool IRAM_ATTR timer_group0_isr_callback(void *args) {
    // 这里放你的处理逻辑
    // 注意：中断里不要做耗时操作
    return true;
}

void app_main(void) {
    timer_config_t config = {
        .divider = TIMER_DIVIDER,
        .counter_dir = TIMER_COUNT_UP,
        .counter_en = TIMER_PAUSE,
        .alarm_en = TIMER_ALARM_EN,
        .auto_reload = true,
    };
    timer_init(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, &config);
    timer_set_alarm_value(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, 1000000); // 1秒
    timer_isr_callback_add(TIMER_GROUP_0, TIMER_0, timer_group0_isr_callback, NULL, 0);
    timer_start(TIMER_GROUP_0, TIMER_0);
}

4.1.2 定时器回调函数注意事项

嗯，这里要注意。定时器回调是在中断上下文执行的。我曾经在项目里踩过一个坑——在回调里调用了 printf()，结果系统直接卡死。为什么呢？因为 printf() 可能触发任务切换，而中断里不允许这样做。

总结几条铁律：

• 回调函数必须加 IRAM_ATTR：确保代码在IRAM中运行，避免flash访问延迟。
• 不要调用阻塞函数：比如 vTaskDelay()、printf()、malloc()。
• 处理逻辑要极简：只做标志位设置、数据拷贝等轻量操作。
• 如果需要复杂处理：用信号量或消息队列通知任务线程去做。

4.2 LEDC控制器：灵活的PWM输出

LEDC是ESP32专门为LED控制设计的PWM模块。它支持8个通道，每个通道可以独立设置频率和占空比。说白了，它就是一套硬件PWM发生器，不占用CPU资源。

4.2.1 LEDC vs 软件PWM

你想想看，如果只是控制一个LED亮度，软件PWM也能凑合。但要是做电机控制、呼吸灯、或者多个LED同时调光，LEDC的优势就非常明显了。

4.2.2 LEDC配置步骤

配置LEDC也很简单，主要分两步：

1. 配置定时器：设置PWM频率和占空比分辨率。
2. 配置通道：绑定GPIO引脚，关联定时器。

#include "driver/ledc.h"

#define LEDC_TIMER              LEDC_TIMER_0
#define LEDC_MODE               LEDC_LOW_SPEED_MODE
#define LEDC_OUTPUT_IO          (2)      // GPIO2
#define LEDC_CHANNEL            LEDC_CHANNEL_0
#define LEDC_DUTY_RES           LEDC_TIMER_13_BIT  // 13位分辨率
#define LEDC_FREQUENCY          (5000)   // 5kHz

void ledc_init(void) {
    // 配置定时器
    ledc_timer_config_t timer_conf = {
        .speed_mode       = LEDC_MODE,
        .timer_num        = LEDC_TIMER,
        .duty_resolution  = LEDC_DUTY_RES,
        .freq_hz          = LEDC_FREQUENCY,
        .clk_cfg          = LEDC_AUTO_CLK,
    };
    ledc_timer_config(&timer_conf);

    // 配置通道
    ledc_channel_config_t channel_conf = {
        .channel    = LEDC_CHANNEL,
        .duty       = 0,
        .gpio_num   = LEDC_OUTPUT_IO,
        .speed_mode = LEDC_MODE,
        .hpoint     = 0,
        .timer_sel  = LEDC_TIMER,
    };
    ledc_channel_config(&channel_conf);
}

4.3 呼吸灯效果实现

呼吸灯，说白了就是让LED的亮度周期性变化，从暗到亮再到暗，模拟呼吸的节奏。实现这个效果，核心就是不断改变PWM的占空比。

4.3.1 软件实现方案

我一般用两种方式：

• 线性变化：占空比从0到最大值线性增加，再线性减少。简单，但效果不够自然。
• 指数/对数变化：人眼对亮度的感知是非线性的，用指数曲线会让呼吸效果更平滑。

看一个线性呼吸灯的代码：

void breath_led_task(void *arg) {
    int duty = 0;
    int step = 8;  // 步进值
    int direction = 1;

    while (1) {
        ledc_set_duty(LEDC_MODE, LEDC_CHANNEL, duty);
        ledc_update_duty(LEDC_MODE, LEDC_CHANNEL);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));  // 每10ms更新一次

        duty += step * direction;
        if (duty >= 8191) {
            duty = 8191;
            direction = -1;
        } else if (duty <= 0) {
            duty = 0;
            direction = 1;
        }
    }
}

为什么步进值设成8？因为13位分辨率下，8192级变化如果每级都走一遍，周期太长。步进8可以让一个呼吸周期控制在2秒左右，效果比较舒服。

4.3.2 指数曲线优化

线性呼吸灯看起来有点“愣”，亮灭切换太生硬。我建议用指数曲线：

#include "math.h"

void breath_led_exponential(void *arg) {
    int max_duty = 8191;
    int steps = 200;  // 一个周期内的步数

    while (1) {
        for (int i = 0; i < steps; i++) {
            // 使用正弦波，更接近自然呼吸
            float phase = (float)i / steps * 2 * M_PI;
            float value = (sinf(phase - M_PI / 2) + 1) / 2;  // 0~1
            int duty = (int)(value * max_duty);
            
            ledc_set_duty(LEDC_MODE, LEDC_CHANNEL, duty);
            ledc_update_duty(LEDC_MODE, LEDC_CHANNEL);
            vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
        }
    }
}

4.4 知识结构图

下面这张图展示了本章的核心知识点和它们之间的关系：

4.5 常见问题与避坑

最后，分享几个我在实际项目中遇到的坑：

• 定时器回调里调用 ledc_set_duty()：这个函数内部可能涉及I2C或SPI操作（某些芯片），在中断里调用会导致系统不稳定。我建议在回调里只置标志位，在主循环里更新PWM。
• 占空比更新不及时：调用 ledc_set_duty() 后必须调用 ledc_update_duty()，否则新值不会生效。这个坑我踩过两次。
• 频率选择：LED调光用1kHz以上就够了，但电机控制可能需要更高频率。频率太高会降低占空比分辨率，需要根据实际需求权衡。

好了，定时器和PWM这部分就讲到这里。这些内容在实际项目中几乎每天都会用到，掌握好了，后面做低功耗和OTA升级会顺手很多。