本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。
1. 呼吸灯原理
呼吸灯的实现可以通过控制灯的亮度连续变化，当变化的频率大于24帧时，肉眼看上去就会逐渐变暗，逐渐变亮。
2. PWM控制亮度
PWM通过设置亮度在一段时间内的占空比，亮的百分比多，人眼看到的就亮，反之就是暗。
关于PWM的块不打算展开说，这里针对呼吸灯的PWM详细说明。
/*
* 描述 ：呼吸灯PWM初始化
* 参数 ：
* 无
* 返回 ：
* 无
*/
void bspBreathLedTIMInit(void)
{
TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
g_breathled_tim_handle.Instance = TIM2;
g_breathled_tim_handle.Init.Prescaler = 83;
g_breathled_tim_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
g_breathled_tim_handle.Init.Period = (BREATHLED_PWM_VALUE - 1);
g_breathled_tim_handle.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
g_breathled_tim_handle.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
if (HAL_TIM_Base_Init(&g_breathled_tim_handle) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&g_breathled_tim_handle, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
if (HAL_TIM_PWM_Init(&g_breathled_tim_handle) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&g_breathled_tim_handle, &sMasterConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 0;
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&g_breathled_tim_handle, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_4) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
BREATHLED_GPIO_CLK_ENABLE();
/* TIM2 GPIO Configuration
* PA3 ------> TIM2_CH4
*/
GPIO_InitStruct.Pin = BREATHLED_GPIO_GREEN_PIN;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF1_TIM2;
HAL_GPIO_Init(BREATHLED_GPIO_TYPE, &GPIO_InitStruct);
HAL_TIM_Base_Start_IT(&g_breathled_tim_handle);
}
我这里使用了PA3引脚，定时器2做实验。时钟频率是84MHz，Prescaler设置(84 - 1) = 83，Period这里设置是(10000 - 1) = 9999，所以定时器是 (83 + 1) * (9999 + 1) / 84000000 = 0.01s = 10ms一个周期。
这个频率各位可以根据实际情况去计算，尽量设置成看上去平滑，而且对系统也不会造成产生过多中断。
/*
* 描述 ：定时器底层回调初始化
* 参数 ：
* 无
* 返回 ：
* 无
*/
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim_base)
{
if (htim_base->Instance == TIM2)
{
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 5, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
}
}
/*
* 描述 ：定时器中断处理函数
* 参数 ：
* 无
* 返回 ：
* 无
*/
void TIM2_IRQHandler(void)
{
HAL_TIM_IRQHandler(&g_breathled_tim_handle);
HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(&g_breathled_tim_handle);
}
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
/* USER CODE BEGIN Callback 0 */
/* USER CODE END Callback 0 */
if (htim->Instance == TIM11) {
HAL_IncTick();
}
//呼吸灯
else if (htim->Instance == TIM2)
{
//注意由于产生中断过快，反转实现不了
//LED电平反转
HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_3);
}
/* USER CODE BEGIN Callback 1 */
/* USER CODE END Callback 1 */
}
上面代码是中断处理函数，对呼吸灯的引脚电平反转。是通过设置占空比的参数，定时器自动触发中断后反转电平。
3. 呼吸灯亮度曲线
//PWM设置的Period值
#define BREATHLED_PWM_VALUE 10000
//呼吸灯x轴变暗或变亮步数
#define BREATHLED_X_DIVIDE 100
//呼吸灯x轴总步数
#define BREATHLED_X_TOTAL (BREATHLED_X_DIVIDE * 2)
//呼吸灯y轴比例
#define BREATHLED_Y_RATIO (BREATHLED_PWM_VALUE / BREATHLED_X_DIVIDE)
//亮度变化频率，也就是帧数，单位毫秒
#define BREATHLED_FRAMES_MS 10
一些宏定义，BREATHLED_PWM_VALUE值是上面PWM设置的Period值。
BREATHLED_X_DIVIDE是x轴，变暗或变亮时，x轴的步数。
BREATHLED_X_TOTAL是x轴变暗加上变亮一个周期的总步数。
BREATHLED_Y_RATIO是y轴比例。
BREATHLED_FRAMES_MS亮度变化频率，注意这个值必须大于24帧，也就是小于40毫秒的时间，为了更加平滑，可以适量提高帧数，这样看起来呼吸灯更加流畅。
3.1 线性折线
y = 10000时代表占空比100%，x轴为时间。
/*
* 描述 ：呼吸灯函数，由x轴得出y轴值
* 参数 ：
* [in] x x轴，时间
* 返回 ：
* y轴值，PWM值
*/
static unsigned int breathLedCurve(unsigned int x)
{
unsigned int y;
if (x < BREATHLED_X_DIVIDE)
{
y = BREATHLED_Y_RATIO * x;
}
else
{
y = -BREATHLED_Y_RATIO * (x - BREATHLED_X_TOTAL);
}
return y;
}
/*
* 描述 ：呼吸灯过程
* 参数 ：
* 无
* 返回 ：
* 无
*/
void breathLedProgress(void)
{
static unsigned int time_x = 0;
unsigned int pwm_value_y = 0;
while (1)
{
time_x = (time_x + 1) % BREATHLED_X_TOTAL;
pwm_value_y = breathLedCurve(time_x);
//修改占空比
__HAL_TIM_SetCompare(&g_breathled_tim_handle, TIM_CHANNEL_4, pwm_value_y);
sysDelay(BREATHLED_FRAMES_MS);
if (time_x % BREATHLED_X_DIVIDE == 0)
{
sysDelay(500);
}
}
}
实现方式可以参考上面的，但是人眼感受的却不是线性的，是由于在灯光微亮区，很小的光通量改变也让人眼感到光通量变化很大，而在光通量比较大的区域，很大的光通量跳跃，人眼感觉到的光通量变化不大，简单理解为，人眼对亮度暗的比较敏感，而对亮度量的不敏感。
所以你尝试后发现，当由亮变暗时感觉时间长，由暗变亮时时间短，会有突然变亮的感觉。
这个曲线是有缺陷的。
3.2 呼吸灯曲线
由上图可知，当亮度由暗变亮时，程序的呼吸灯曲线需要如同图3。
为了方便我这里使用一元二次曲线，有条件的可以使用sin函数，但是效果或许看起来会差不多。但是sin函数计算量会比一元二次方程大的多，所以衡量之下，选择通过一元二次曲线来实现。
通过这个曲线，你可能感觉到和线性折线差不多的效果。所以还需要降低由暗变亮时的亮度变化频率，即可让人眼看上去平滑。
注意的是，单单这个曲线可能看上去效果不明显，这时我们把由暗到亮的亮度变化频率降低，让人眼感觉到，所以在由暗到亮过程中，亮度变化后延迟时间改为由亮变暗的2倍。
/*
* 描述 ：呼吸灯函数，由x轴得出y轴值
* 参数 ：
* [in] x x轴，时间
* 返回 ：
* y轴值，PWM值
*/
static unsigned int breathLedCurve(unsigned int x)
{
unsigned int y;
if (x < BREATHLED_X_DIVIDE)
{
y = x * x;
}
else
{
y = BREATHLED_Y_RATIO * (BREATHLED_X_TOTAL - x);
}
return y;
}
/*
* 描述 ：呼吸灯过程
* 参数 ：
* 无
* 返回 ：
* 无
*/
void breathLedProgress(void)
{
static unsigned int time_x = 0;
unsigned int pwm_value_y = 0;
while (1)
{
time_x = (time_x + 1) % BREATHLED_X_TOTAL;
pwm_value_y = breathLedCurve(time_x);
//修改占空比
__HAL_TIM_SetCompare(&g_breathled_tim_handle, TIM_CHANNEL_4, pwm_value_y);
//由暗变亮时，延时时间需要比较长
if (time_x < BREATHLED_X_DIVIDE)
{
sysDelay(BREATHLED_FRAMES_MS * 2);
}
else
{
sysDelay(BREATHLED_FRAMES_MS);
}
if (time_x % BREATHLED_X_DIVIDE == 0)
{
sysDelay(500);
}
}
}
3.3 gama曲线
gama曲线是一种特殊的色调曲线，具体可以网上找资料了解。我们把gamma曲线的值弄成数组，程序可以减少计算的消耗。
最后在我这的硬件测试，使用了一下的代码效果是最好的，各位可以根据实际情况，调整步数和变化的频率，可各位一个参考。
//呼吸灯x轴总步数
#define BREATH_LED_X_TOTAL 27
//亮度变化频率，也就是帧数，单位毫秒
#define BREATH_LED_FRAMES_MS 50
static int g_breath_led_time_x = BREATH_LED_X_TOTAL;
//pwm的gamma值
static const unsigned short breath_led_pwmtable[BREATH_LED_X_TOTAL] =
{
/* 0, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 3, 4, 4, 5, 5, 6, 6, 7, 8, 9, 10,
11, 12, 13, 15, 17, 19, 21, 23, 26, 29, 32, 36, 40, 44, */
49, 55,
61, 68, 76, 85, 94, 105, 117, 131, 146, 162, 181, 202, 225, 250,
279, 311, 346, 386, 430, 479, 534, 595, 663, 739, 824
/*, 918, 1023 */
};
/*
* 描述 ：呼吸灯过程
* 参数 ：
* 无
* 返回 ：
* 无
*/
void breathLedProgress(void)
{
unsigned int pwm_value_y = 0;
if (g_breath_led_time_x == BREATH_LED_X_TOTAL)
{
for (g_breath_led_time_x = BREATH_LED_X_TOTAL - 1; g_breath_led_time_x >= 0; g_breath_led_time_x--)
{
pwm_value_y = breath_led_pwmtable[g_breath_led_time_x];
//修改占空比
__HAL_TIM_SetCompare(&g_indicaotr_tim_handle, TIM_CHANNEL_4, pwm_value_y);
//状态不在充电中，返回
if (g_system_state != SYSTEM_STATE_CHARGING)
{
g_breath_led_time_x = BREATH_LED_X_TOTAL;
return;
}
sysDelay(BREATH_LED_FRAMES_MS + g_breath_led_time_x / 8);
}
g_breath_led_time_x = 0;
return;
}
if (g_breath_led_time_x == 0)
{
for (; g_breath_led_time_x < BREATH_LED_X_TOTAL; g_breath_led_time_x++)
{
pwm_value_y = breath_led_pwmtable[g_breath_led_time_x];
//修改占空比
__HAL_TIM_SetCompare(&g_indicaotr_tim_handle, TIM_CHANNEL_4, pwm_value_y);
//状态不在充电中，返回
if (g_system_state != SYSTEM_STATE_CHARGING)
{
g_breath_led_time_x = BREATH_LED_X_TOTAL;
return;
}
sysDelay(BREATH_LED_FRAMES_MS);
}
return;
}
}
