一本章简介

本章介绍如何使用 MicroPython 的定时器和 PWM 功能，在筑基学习板的 LED（PB8）上实现呼吸灯效果。呼吸灯是 PWM 最经典的入门实验——通过不断改变 PWM 占空比来平滑调节 LED 亮度，让 LED 像呼吸一样渐亮渐灭。

1.1 学习目标

序号	学习目标	重要程度
1	理解 PWM 的基本概念（频率、占空比）	⭐⭐⭐⭐⭐
2	掌握 MicroPython 中 `pyb.Timer` 配置 PWM 输出的方法	⭐⭐⭐⭐⭐
3	理解低电平点亮 LED 时占空比与亮度的反向关系	⭐⭐⭐⭐⭐
4	能够实现线性呼吸灯和非线性（视觉均匀）呼吸灯效果	⭐⭐⭐⭐

1.2 重点提示

筑基学习板 LED 连接在 PB8，低电平点亮。因此 PWM 占空比越低，LED 越亮；占空比越高，LED 越暗。这与高电平点亮的 LED 逻辑相反，代码中需要注意。
PB8 支持 TIM10_CH1（AF3）的 PWM 输出，本章使用该定时器通道。选择 TIM10 而非 TIM4 是因为 TIM4 在后续编码器章节中会被用于编码器模式，两者不能同时使用。
PWM 频率建议设置在 500Hz~2kHz 之间。频率太低（如 50Hz 以下）人眼会看到明显闪烁；频率太高则对 LED 亮度调节没有额外好处。
人眼对亮度的感知是非线性的（韦伯-费希纳定律），线性改变占空比时，低亮度区域变化不明显，高亮度区域变化过快。进阶部分会介绍 Gamma 校正方案。

1.3 基础概念与术语

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）：通过快速切换高低电平，并改变高电平所占的时间比例（占空比），来等效地控制输出的平均电压。
占空比（Duty Cycle）：一个 PWM 周期内，高电平持续时间占整个周期的百分比。0% = 全低电平，100% = 全高电平。
频率（Frequency）：PWM 信号每秒切换的次数。频率越高，LED 闪烁越快，人眼越感觉不到闪烁。
定时器通道（Timer Channel）：STM32 的每个定时器有多个通道，每个通道可以独立输出 PWM 信号，但共享同一个频率（由定时器的 ARR 和 PSC 决定）。

二 PWM 工作原理

2.1 什么是 PWM

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种在嵌入式系统中常用的技术，它可以用来模拟信号，控制设备的功率输出或者实现对设备的精确控制。PWM信号是一种类似于方波的信号，具有固定的频率，但脉冲宽度（占空比）可以调整。在一定频率下，我们可以通过调整这个占空比来改变他的有效电压，在一定程度上可以实现D/A转换,

频率（Frequency）：指PWM信号在一秒内循环的次数。频率是周期的倒数，单位是赫兹（Hz）。
周期（Period）：指一个完整的PWM信号的时间长度，与频率成反比。单位是秒（s）。
脉宽（Pulse Width）：指PWM信号中高电平（通常为1）的时间长度。单位是秒（s）或毫秒（ms）。
占空比(Duty Ratio)：表示在一个完整的PWM信号周期内，高电平（通常为1）所占的时间比例。占空比 = （脉宽 / 周期）x 100%。
上升沿（Rising Edge）：PWM信号从低电平跳变到高电平的瞬间，通常用来作为触发事件。
下降沿（Falling Edge）：PWM信号从高电平跳变到低电平的瞬间，也常被用作触发事件。
正脉冲宽度（Positive Pulse Width）：PWM信号中高电平的持续时间，一般情况下的脉宽指的就是这个。
负脉冲宽度（Negative Pulse Width）：PWM信号中低电平的持续时间。

PWM 的核心思想很简单：用数字信号（只有高和低两种电平）来模拟模拟信号（连续变化的电压）。

假设 PWM 频率为 1kHz（周期 1ms），占空比为 30%：

每个周期内，前 0.3ms 输出高电平（3.3V），后 0.7ms 输出低电平（0V）
平均电压 = 3.3V × 30% = 0.99V
LED 感受到的等效电压约为 1V，亮度约为最大亮度的 30%

2.2 PB8 低电平点亮的特殊性

PB8 的 LED 是低电平点亮（灌电流接法），所以：

占空比	高电平时间	低电平时间	LED 状态
0%	无	全部	最亮
50%	一半	一半	中等亮度
100%	全部	无	全灭

WARNING

PB8 低电平点亮，占空比与亮度是反向关系。写代码时要特别注意：想让 LED 变亮，应该降低占空比；想让 LED 变暗，应该升高占空比。

三软件设计

3.1 基础部分

3.1.1 固定亮度输出

先用 PWM 输出一个固定占空比，验证硬件和配置是否正确，注意这里是占空比越大，LED灯反而越暗：

python

# PWM 固定亮度输出
from pyb import Pin, Timer

# 配置 PB8 为 TIM10_CH1 的 PWM 输出
pin = Pin('PB8', Pin.AF_PP, af=3)  # AF3 = TIM10
tim = Timer(10, freq=1000)              # PWM 频率 1kHz
ch = tim.channel(1, Timer.PWM, pin=pin)

# 低电平点亮：占空比 0% = 最亮，100% = 全灭
ch.pulse_width_percent(80)   # 较暗
# ch.pulse_width_percent(20) # 较亮
# ch.pulse_width_percent(0)  # 最亮
# ch.pulse_width_percent(100) # 全灭

3.1.2 线性呼吸灯

最基本的呼吸灯——线性改变占空比：

python

# 线性呼吸灯（PB8，低电平点亮）
from pyb import Pin, Timer
import time

pin = Pin('PB8', Pin.AF_PP, af=3)  # AF3 = TIM10
tim = Timer(10, freq=1000)
ch = tim.channel(1, Timer.PWM, pin=pin)

print("呼吸灯启动")

try:
    while True:
        # 渐亮：占空比从 100%（灭）降到 0%（最亮）
        for duty in range(100, -1, -1):
            ch.pulse_width_percent(duty)
            time.sleep_ms(15)

        # 渐灭：占空比从 0%（最亮）升到 100%（灭）
        for duty in range(0, 101):
            ch.pulse_width_percent(duty)
            time.sleep_ms(15)
except KeyboardInterrupt:
    ch.pulse_width_percent(100)  # 熄灭
    tim.deinit()
    print("已停止")

3.1.3 调节呼吸速度

通过改变每步的延时时间来控制呼吸速度：

python

# 可调速呼吸灯
from pyb import Pin, Timer
import time

pin = Pin('PB8', Pin.AF_PP, af=3)  # AF3 = TIM10
tim = Timer(10, freq=1000)
ch = tim.channel(1, Timer.PWM, pin=pin)

STEP_MS = 10  # 每步延时（ms），越小呼吸越快
STEP = 2      # 每步占空比变化量，越大呼吸越快

try:
    while True:
        for duty in range(100, -1, -STEP):
            ch.pulse_width_percent(duty)
            time.sleep_ms(STEP_MS)

        for duty in range(0, 101, STEP):
            ch.pulse_width_percent(duty)
            time.sleep_ms(STEP_MS)
except KeyboardInterrupt:
    ch.pulse_width_percent(100)
    tim.deinit()
    print("已停止")

3.2 进阶部分

3.2.1 Gamma 校正呼吸灯（视觉均匀）

人眼对亮度的感知是非线性的——在低亮度区域，微小的亮度变化就能被察觉；在高亮度区域，较大的变化才能被感知。线性改变占空比时，你会发现 LED 在暗的时候变化很快，亮的时候变化很慢，呼吸效果不够平滑。

通过 Gamma 校正（通常 γ=2.2），可以让亮度变化在视觉上更加均匀：

python

# Gamma 校正呼吸灯（视觉均匀）
from pyb import Pin, Timer
import time
import math

pin = Pin('PB8', Pin.AF_PP, af=3)  # AF3 = TIM10
tim = Timer(10, freq=1000)
ch = tim.channel(1, Timer.PWM, pin=pin)

GAMMA = 2.2
STEPS = 100

# 预计算 Gamma 查找表（节省运行时计算开销）
# 输入 0~100 的线性值，输出 0~100 的 Gamma 校正后占空比
gamma_table = []
for i in range(STEPS + 1):
    # 线性亮度 0~1
    brightness = i / STEPS
    # Gamma 校正后的占空比（低电平点亮，所以取反）
    corrected = 100 - int(math.pow(brightness, GAMMA) * 100)
    gamma_table.append(corrected)

print("Gamma 校正呼吸灯启动（γ={}）".format(GAMMA))

try:
    while True:
        # 渐亮
        for i in range(STEPS + 1):
            ch.pulse_width_percent(gamma_table[i])
            time.sleep_ms(15)

        # 渐灭
        for i in range(STEPS, -1, -1):
            ch.pulse_width_percent(gamma_table[i])
            time.sleep_ms(15)
except KeyboardInterrupt:
    ch.pulse_width_percent(100)
    tim.deinit()
    print("已停止")

3.2.2 定时器回调驱动呼吸灯（非阻塞）

前面的呼吸灯都是在主循环中用 sleep 阻塞实现的，主循环被占满了。使用定时器回调可以让呼吸灯在后台自动运行，主循环可以做其他事情：

python

# 定时器回调驱动呼吸灯（非阻塞）
from pyb import Pin, Timer

pin = Pin('PB8', Pin.AF_PP, af=3)  # AF3 = TIM10
tim_pwm = Timer(10, freq=1000)
ch = tim_pwm.channel(1, Timer.PWM, pin=pin)

# 呼吸状态
duty = [100]       # 当前占空比（用列表包装，回调中可修改）
direction = [-1]   # -1=渐亮，+1=渐灭

def breath_callback(t):
    duty[0] += direction[0] * 2
    if duty[0] <= 0:
        duty[0] = 0
        direction[0] = 1
    elif duty[0] >= 100:
        duty[0] = 100
        direction[0] = -1
    ch.pulse_width_percent(duty[0])

# 用另一个定时器（TIM2）驱动呼吸节奏，频率 60Hz
tim_breath = Timer(2, freq=60)
tim_breath.callback(breath_callback)

print("呼吸灯在后台运行，主循环可以做其他事情")
print("输入 tim_breath.callback(None) 停止")

四常见问题

Q: LED 没有呼吸效果，一直亮或一直灭？

确认引脚配置正确：Pin('PB8', Pin.AF_PP, af=3)，注意是 AF_PP 不是 OUT_PP，AF3 对应 TIM10。
确认定时器和通道号：TIM10 的 CH1 对应 PB8。
在 REPL 中手动测试：ch.pulse_width_percent(50) 看 LED 是否处于中等亮度。

Q: 呼吸效果不平滑，有明显的阶梯感？

减小每步的占空比变化量（如从 2 改为 1）
减小每步的延时时间（如从 20ms 改为 10ms）
使用 Gamma 校正方案（3.2.1 节），让视觉亮度变化更均匀

Q: 为什么占空比 0% 是最亮，100% 是最暗？

因为 PB8 是低电平点亮。占空比 0% 意味着输出全部是低电平，LED 全亮；占空比 100% 意味着输出全部是高电平，LED 全灭。

Q: 可以用天空星核心板的 PB2 做呼吸灯吗？

PB2 不支持硬件 PWM 输出（没有对应的定时器通道），所以无法用硬件 PWM 做呼吸灯。可以用软件模拟 PWM，但效果不如硬件 PWM 平滑。

五本节参考文档

MicroPython pyb.Timer 文档：
- https://docs.micropython.org/en/latest/library/pyb.Timer.html
MicroPython pyb.Pin 文档：
- https://docs.micropython.org/en/latest/library/pyb.Pin.html
天空星硬件资料（原理图）：
- https://wiki.lckfb.com/zh-hans/tkx/

[1]天空星筑基学习板套件介绍

GPIO基础

定时器与PWM基础

一本章简介

1.1 学习目标

1.2 重点提示

1.3 基础概念与术语

二 PWM 工作原理

2.1 什么是 PWM

2.2 PB8 低电平点亮的特殊性

三软件设计

3.1 基础部分

3.1.1 固定亮度输出

3.1.2 线性呼吸灯

3.1.3 调节呼吸速度

3.2 进阶部分

3.2.1 Gamma 校正呼吸灯（视觉均匀）

3.2.2 定时器回调驱动呼吸灯（非阻塞）

四常见问题

五本节参考文档

GPIO基础

定时器与PWM基础

​

一 本章简介 ​

1.1 学习目标 ​

1.2 重点提示 ​

1.3 基础概念与术语 ​

二 PWM 工作原理 ​

2.1 什么是 PWM ​

2.2 PB8 低电平点亮的特殊性 ​

三 软件设计 ​

3.1 基础部分 ​

3.1.1 固定亮度输出 ​

3.1.2 线性呼吸灯 ​

3.1.3 调节呼吸速度 ​

3.2 进阶部分 ​

3.2.1 Gamma 校正呼吸灯（视觉均匀） ​

3.2.2 定时器回调驱动呼吸灯（非阻塞） ​

四 常见问题 ​

五 本节参考文档 ​

一本章简介

1.1 学习目标

1.2 重点提示

1.3 基础概念与术语

二 PWM 工作原理

2.1 什么是 PWM

2.2 PB8 低电平点亮的特殊性

三软件设计

3.1 基础部分

3.1.1 固定亮度输出

3.1.2 线性呼吸灯

3.1.3 调节呼吸速度

3.2 进阶部分

3.2.1 Gamma 校正呼吸灯（视觉均匀）

3.2.2 定时器回调驱动呼吸灯（非阻塞）

四常见问题

五本节参考文档