ESP32开发之LED闪烁和呼吸的实现

湮雨塵飛2025-06-04 19:30
  • 硬件电路介绍
  • GPIO输出模式
  • GPIO配置过程
  • 闪烁灯的源码
  • LED PWM的控制器(LEDC)概述
  • LEDC配置过程及现象
  • 整体流程

硬件电路介绍

电路图如下：

只要有硬件基础的应该都知道上图中，当GPIO4的输出电平为高时，LED灯亮，反之则熄灭。如果每间隔一段时间进行一次电平的反转，则将使LED产生闪烁的效果。

GPIO模式

在进行GPIO控制之前，需要熟悉一下ESP32的GPIO几种模式：

GPIO模式 模式宏定义 说明
输入模式 GPIO_MODE_INPUT 可以通过配置项pull_up_en或pull_down_en配置上拉或者下拉
推挽输出模式 GPIO_MODE_OUTPUT 高低电平输出
开漏输出模式 GPIO_MODE_OUTPUT_OD 通常用于I2C
中断 可通过intr_type配置项配置触发方式：上升沿/下降沿/双沿/电平触发等
禁用 GPIO_MODE_DISABLE 禁用GPIO,不作为输入也不作为输出
输入输出模式 GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT
输入及开漏输出 GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT_OD

注意：

  • 使用中断时，将GPIO模式设置为输入模式
  • 如果GPIO用于I2C的SDA，设置模式为GPIO_MODE_INPUT_OUTPUT_OD，且需要配置上拉，也可在芯片相关引脚增加上拉电路

GPIO配置过程

  • 配置GPIO

    使用结构体gpio_config_t对GPIO相关参数进行配置

  • 注册GPIO

​ 通过函数gpio_config函数将以上配置注册进系统

  • 通过GPIO相关API函数对GPIO进行控制

​ 比如此次实验是控制LED闪烁，那么则是使用gpio_set_level函数进行输出电平控制

闪烁灯的源码

c 复制代码 
/**
 * Copyright (C) 2024-2034 HalfMoon2.
 * All rights reserved.
 * 
 * @file 	 Filename without the absolute path
 * @brief 	 Brief description
 * @author 	 HalfMoon2
 * @date 	 2025-05-20
 * @version	 v0.1
 * 
 * @revision history:
 * 	 2025-05-20 - Initial version.
 */
#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "esp_log.h"

#define LED_GPIO GPIO_NUM_4 //根据实际的连接方式更改

void ledCtlTask(void *pvParam)
{
	while(1){
		  gpio_set_level(LED_GPIO, 1);  // 设置为高电平（点亮 LED）
       		 vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));  // 延时 0.5 秒

       		 gpio_set_level(LED_GPIO, 0);  // 设置为低电平（熄灭 LED）
        	  vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));  // 延时 0.5 秒
	}
}

void app_main(void)
{
	// 配置 GPIO
    gpio_config_t io_conf = {
        .pin_bit_mask = (1ULL << LED_GPIO),    // 选择 GPIO
        .mode = GPIO_MODE_OUTPUT,              // 设置为输出模式
        .pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE,     // 不启用上拉
        .pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE, // 不启用下拉
        .intr_type = GPIO_INTR_DISABLE         // 不启用中断
    };
    gpio_config(&io_conf);

    xTaskCreatePinnedToCore(ledCtlTask,"ledCtlTask",2048,NULL,3,NULL,1);
}

LED PWM的控制器(LEDC)概述

从以上案例可以看出，对于通用GPIO的控制要么是高电平，要么是低电平。所以只能控制LED的闪烁现象。而对于ESP32-S3却有专用控制LED的控制器，称之LED PWM。它有8路低速通道。专用于控制LED。当然也可以产生PWM控制电机等。ESP32有两组LED PWM控制器，一组为8路高速通道，另一组为8路低速通道。

LED PWM 控制器可在无需 CPU 干预的情况下自动改变占空比，实现亮度渐变，如果是RGB LED，还能实现颜色的渐变。

LEDC的配置过程及现象

  1. 定时器的配置过程

  • 创建定时器配置结构体

    c 复制代码 
    typedef struct {
    ledc_mode_t speed_mode;                /* LEDC速度模式, high-speed mode (only exists on esp32) or low-speed mode */
    ledc_timer_bit_t duty_resolution;      /* LEDC占空比分辨率 */
    ledc_timer_t  timer_num;                  /* The timer source of channel (0 - LEDC_TIMER_MAX-1) */
    uint32_t freq_hz;                               /* LEDC 的时钟频率 */
    ledc_clk_cfg_t clk_cfg;                       /*配置LEDC的时钟源. */
    bool deconfigure;                             /*是否取消此配置之前的配置，取消之前先要关闭定时器 */
} ledc_timer_config_t

  • 使用相关函数将结构体完成配置

c 复制代码 
esp_err_t ledc_timer_config(const ledc_timer_config_t *timer_conf);//参数为以上定义的结构体
/*返回值：
* ESP_OK  成功
* ESP_ERR_INVALID_ARG 参数错误
* ESP_FAIL   无法根据给定频率和当前占空比分辨率找到合适的预分频器编号
*ESP_ERR_INVALID_STATE  定时器未配置或未暂停
*/
  1. 配置通道以及指定GPIO
  • 创建配置通道结构体
c 复制代码 
typedef struct {
    int gpio_num;                   /* LEDC的输出GPIO*/
    ledc_mode_t speed_mode;         /* LEDC 速度模式，ESP32S3只能配置为低速 */
    ledc_channel_t channel;         /*LED PWM的控制器(LEDC) LEDC的通道 */
    ledc_intr_type_t intr_type;     /*是否开启渐变中断 */
    ledc_timer_t timer_sel;         /*选择定时器l (0 - LEDC_TIMER_MAX-1) */
    uint32_t duty;                  /*!< LEDC 通道占空比*/
    int hpoint;                     /*!< LEDC channel hpoint value, the range is [0, (2**duty_resolution)-1] */
    struct {
        unsigned int output_invert: 1;/*!< Enable (1) or disable (0) gpio output invert */
    } flags;                        /*!< LEDC 标志 */

} ledc_channel_config_t;
  • 使用函数完成配置
c 复制代码 
esp_err_t ledc_channel_config(const ledc_channel_config_t *ledc_conf);
  1. 配置占空比改变PWM信号
  • 使能硬件PWM
c 复制代码 
//参数intr_alloc_flags为分配的中断优先级
esp_err_t ledc_fade_func_install(int intr_alloc_flags)
  • 配置渐变参数
c 复制代码 
/*
参数：
 speed_mode：LEDC的速度模式,只有ESP32有高速模式
 channel：通道，0-7
  target_duty：占空比，取值范围 [0, (2**duty_resolution)]
  max_fade_time_ms：最大的渐变时间
*/
esp_err_t ledc_set_fade_with_time(ledc_mode_t speed_mode, ledc_channel_t channel, uint32_t target_duty, int max_fade_time_ms)
  • 开启渐变
c 复制代码 
/*
参数：
 speed_mode：LEDC的速度模式
 channel：通道，0-7
fade_mode：是否阻塞直到渐变完成，如果设置成LEDC_FADE_WAIT_DONE模式，则不渐变到预定值则不返回
*/
esp_err_t ledc_fade_start(ledc_mode_t speed_mode, ledc_channel_t channel, ledc_fade_mode_t fade_mode)
  1. 第一阶段实例：实现LED缓慢亮灯
c 复制代码 
/**
 * Copyright (C) 2024-2034 HalfMoon2.
 * All rights reserved.
 * 
 * @file 	 Filename without the absolute path
 * @brief 	 Brief description
 * @author 	 HalfMoon2
 * @date 	 2025-05-27
 * @version	 v0.1
 * 
 * @revision history:
 * 	 2025-05-27 - Initial version.
 */
#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "esp_log.h"
#include <driver/ledc.h>

#define LEDC_MODE 		LEDC_LOW_SPEED_MODE
#define LEDC_DUTY_RES 	LEDC_TIMER_13_BIT
#define LEDC_TIMER_NUM 	LEDC_TIMER_0
#define LEDC_FREQ 		5000
#define LEDC_CHANNEL 	LEDC_CHANNEL_0
#define LEDC_GPIO		GPIO_NUM_4
#define LEDC_DUTY		4095    //2^13-1


void ledc_init(void)
{
	 ledc_timer_config_t timer_config={
		.speed_mode= LEDC_MODE,
		.duty_resolution= LEDC_DUTY_RES,
		.timer_num= LEDC_TIMER_NUM,
		.clk_cfg=LEDC_AUTO_CLK,
		.freq_hz=LEDC_FREQ
	 };
	ledc_timer_config(&timer_config);

	 ledc_channel_config_t ledc_channel={
		.speed_mode = 	LEDC_MODE,
		.channel 	=	LEDC_CHANNEL,
		.gpio_num	=	LEDC_GPIO,
		.intr_type	= 	LEDC_INTR_DISABLE,
		.duty		=	0,
		.hpoint		=	0
	 };
	 ledc_channel_config(&ledc_channel);
}

void app_main(void)
{
	ledc_init();
	ledc_fade_func_install(0);
	ledc_set_fade_with_time(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,4095,10000);
	ledc_fade_start(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,LEDC_FADE_NO_WAIT);
}

波形说明：可以明显的看到PWM的占空比的变化，LED也缓慢的亮起。

那么接下来就是实现从亮起再缓慢的熄灭，以此循环则实现了LED呼吸的效果。

  1. 渐变回调函数

LEDC控制器在使能渐变后，每个通道都可以有一个回调函数,通过ledc_cb_register()进行注册

c 复制代码 
esp_err_t ledc_cb_register(ledc_mode_t speed_mode, ledc_channel_t channel, ledc_cbs_t *cbs, void *user_arg)
    /*参数：
    speed_mode：速度模式，只有ESP32有高速模式
    channel： LEDC通道，低速模式有8个通道
    cbs：回调函数原型定义在 ledc_cbs_t 结构体中
    user_arg：用户注册时的数据，用于给回调函数传参 
    */
  1. 通过事件组的方式将此时LED的状态发送出去，即设置事件值

在中断中避免处理复杂的内容，所以在渐变回调函数中只使用事件组方式发送相关事件。不了解这块的知识可以参考我之前的文章

《ESP32开发之freeRTOS的事件组》

c 复制代码 
bool IRAM_ATTR ledc_fade_cb(const ledc_cb_param_t *param, void *user_arg)
{
	BaseType_t  pxHigherPriorityTaskWoken;
	//如果当前LEDC占空比最大，说明此时LED为开灯状态,反之为关灯状态
	if(param->duty){
		xEventGroupSetBitsFromISR(s_ledc_ev,LED_ON_EV,&pxHigherPriorityTaskWoken);
	}else{
		xEventGroupSetBitsFromISR(s_ledc_ev,LED_OFF_EV,&pxHigherPriorityTaskWoken);
	}
	return pxHigherPriorityTaskWoken;
}
  1. 创建一个任务来接收事件并做渐变过程的改变
c 复制代码 
void ledc_fade_task(void* param)
{
	EventBits_t ev;
	while(1){
		ev=xEventGroupWaitBits(s_ledc_ev,LED_OFF_EV|LED_ON_EV,pdTRUE,pdFALSE,portMAX_DELAY);
		if(ev){
			if(ev&LED_OFF_EV){
				ledc_set_fade_with_time(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,LEDC_DUTY,1000);
				ledc_fade_start(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,LEDC_FADE_NO_WAIT);
			}
			if(ev&LED_ON_EV){
				ledc_set_fade_with_time(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,0,1000);
				ledc_fade_start(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,LEDC_FADE_NO_WAIT);
			}
		}
		//处理完成需要再次注册回调函数，产生循环
		ledc_cbs_t cbs={.fade_cb=ledc_fade_cb};
	    ledc_cb_register(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,&cbs,NULL);
	}
}
  1. 第二阶段实例：完整实现渐变的循环
c 复制代码 
/**
 * Copyright (C) 2024-2034 HalfMoon2.
 * All rights reserved.
 * 
 * @file 	 Filename without the absolute path
 * @brief 	 Brief description
 * @author 	 HalfMoon2
 * @date 	 2025-05-27
 * @version	 v0.1
 * 
 * @revision history:
 * 	 2025-05-27 - Initial version.
 */
#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "esp_log.h"
#include <driver/ledc.h>

#define LEDC_MODE 		LEDC_LOW_SPEED_MODE
#define LEDC_DUTY_RES 	LEDC_TIMER_13_BIT
#define LEDC_TIMER_NUM 	LEDC_TIMER_0
#define LEDC_FREQ 		5000
#define LEDC_CHANNEL 	LEDC_CHANNEL_0
#define LEDC_GPIO		GPIO_NUM_4
#define LEDC_DUTY		4095    //2^13-1

//通知渐变完成
static EventGroupHandle_t   s_ledc_ev = NULL;

//此时为关灯状态
#define LED_OFF_EV (1<<0)//事件组bit0设置为关灯事件

//此时为开灯状态
#define LED_ON_EV (1<<1)//事件组bit1设置为开灯事件

/**
 * @brief 	 渐变结束回调函数
 * @param 	 *param：LEDC callback parameter
 * @param 	 *user_arg：User registered data
 * @return 	 返回是否唤醒高优先级任务
 * @note	 此函数为中断服务函数，所以不应处理过多的操作，那么在此函数中通过发送事件的方式，由渐变任务函数处理事件
 */
bool IRAM_ATTR ledc_fade_cb(const ledc_cb_param_t *param, void *user_arg)
{
	BaseType_t  pxHigherPriorityTaskWoken;
	//如果当前LEDC占空比最大，说明此时LED为开灯状态,反之为关灯状态
	if(param->duty){
		xEventGroupSetBitsFromISR(s_ledc_ev,LED_ON_EV,&pxHigherPriorityTaskWoken);
	}else{
		xEventGroupSetBitsFromISR(s_ledc_ev,LED_OFF_EV,&pxHigherPriorityTaskWoken);
	}
	return pxHigherPriorityTaskWoken;
}

/**
 * @brief 	 led渐变任务
 * @param 	 任务参数
 * @note	 接收事件并做LED操作
 */
void ledc_fade_task(void* param)
{
	EventBits_t ev;
	while(1){
		ev=xEventGroupWaitBits(s_ledc_ev,LED_OFF_EV|LED_ON_EV,pdTRUE,pdFALSE,portMAX_DELAY);
		if(ev){
			if(ev&LED_OFF_EV){
				ledc_set_fade_with_time(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,LEDC_DUTY,1000);
				ledc_fade_start(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,LEDC_FADE_NO_WAIT);
			}
			if(ev&LED_ON_EV){
				ledc_set_fade_with_time(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,0,1000);
				ledc_fade_start(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,LEDC_FADE_NO_WAIT);
			}
		}
		//处理完成需要再次注册回调函数，产生循环
		ledc_cbs_t cbs={.fade_cb=ledc_fade_cb};
	    ledc_cb_register(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,&cbs,NULL);
	}
}

void ledc_init(void)
{
	 ledc_timer_config_t timer_config={
		.speed_mode= LEDC_MODE,
		.duty_resolution= LEDC_DUTY_RES,
		.timer_num= LEDC_TIMER_NUM,
		.clk_cfg=LEDC_AUTO_CLK,
		.freq_hz=LEDC_FREQ
	 };
	ledc_timer_config(&timer_config);

	 ledc_channel_config_t ledc_channel={
		.speed_mode = 	LEDC_MODE,
		.channel 	=	LEDC_CHANNEL,
		.gpio_num	=	LEDC_GPIO,
		.intr_type	= 	LEDC_INTR_DISABLE,
		.duty		=	0,
		.hpoint		=	0
	 };
	 ledc_channel_config(&ledc_channel);

	//创建事件组，用于接收和发送渐变事件
	s_ledc_ev = xEventGroupCreate();

	//开启硬件PWM
	ledc_fade_func_install(0);

	//设置渐变参数
	ledc_set_fade_with_time(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,LEDC_DUTY,1000);

	//启动渐变
	ledc_fade_start(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,LEDC_FADE_NO_WAIT);
	
	//注册渐变回调函数
	ledc_cbs_t cbs={.fade_cb=ledc_fade_cb,};
	ledc_cb_register(LEDC_MODE,LEDC_CHANNEL,&cbs,NULL);
	xTaskCreatePinnedToCore(ledc_fade_task,"ledc_fade_task",2048,NULL,3,NULL,1);
}

void app_main(void)
{
	ledc_init();
}

整体流程

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