嵌入式相关知识点

嵌入式系统：以应用为中心、软硬件可裁剪的专用计算机系统，嵌入到设备中执行特定任务（如智能手环、工业控制器）

特点：

• 实时性：工业控制需毫秒级响应（如机器人紧急制动）
• 低功耗：电池设备需优化能耗（如物联网传感器）
• 资源受限：内存/处理器性能远低于PC（ESP8266仅80KB RAM）

基础知识

电路基础

基尔霍夫定律

• 基尔霍夫电流定律（KCL）：在集总参数电路中，任意时刻，对任意节点流出或流入该节点电流的代数和等于零

  $$ i_1+i_2+i_3=i_4+i_5 $$

• 基尔霍夫电压定律（KVL）：在集总参数电路中，任一时刻，沿任一闭合路径绕行，各支路电压的代数和等于零

  $$ U_{S1}-U_{S2}-U_2-U_1=0 $$

模拟数字电路

• 数字电路是处理数字信号的电路。
  数字信号：数字信号是离散的电信号。只有0和1区分。
• 模拟电路是处理模拟信号的电路。
  模拟信号：模拟信号是连续的电信号。以电压为纵坐标，时间t为横坐标为例，函数曲线是连续的，不存在突然阶跃的情况

单片机基础

计算机的最小组成

计算机的组成非常复杂,但其基本单元非常简单

1. 笔记本电路板上有很多芯片,一个芯片就是一个系统
2. 一个系统由很多模块组成,如加法器,乘法器等
3. 一个模块由很多逻辑门组成,如非门,与门,或门等
4. 逻辑门由晶体管组成,如PMOS管和NMOS管灯

芯片 => 很多模块组成 => 很多逻辑门组成 => 很多晶体管组成

现代智能手机芯片中的晶体管数量已经达到数百亿级别

硬件组成三要素

控制器

SoC

系统级芯片

System on Chip: SoC 是将整个计算机系统的各个组件（如 CPU、GPU、内存、I/O 接口、通信模块等）集成到单个芯片上的解决方案

典型实例:

• Raspberry Pi：使用 Broadcom SoC 的单板计算机，适合各种计算和嵌入式应用。
• 手机芯片（如 Qualcomm Snapdragon、Apple A 系列）：集成了 CPU、GPU、通信模块（如 4G/5G）、图像处理器等。
• NVIDIA Jetson 系列：用于人工智能和机器学习的 SoC，集成了强大的 GPU 和处理能力。
• ESP32：虽然它也可以被视为 MCU，但它集成了 Wi-Fi 和蓝牙功能，因此在某些上下文中也可以被视为 SoC。

特点：

• 功能强大，集成度高
• 支持多种处理任务和外设
• 通常具有较高的功耗和性能
• 适合需要高性能和多功能的应用

MCU

微控制器单元

定义：MCU 是一种集成电路，通常包括一个或多个处理核心、内存（RAM 和 ROM）、输入输出端口（I/O）和其他外设（如定时器、ADC 等）

用途：MCU 通常用于控制应用，如家电、汽车、工业控制等。它们适合处理简单的控制任务和实时处理

特点

• 功耗低
• 处理能力较弱，适合简单任务
• 通常具有较小的存储空间
• 设计简单，适合嵌入式系统

典型实例：

1. Arduino：基于 AVR 或 ARM 微控制器的开发板，广泛用于教育和原型设计。
2. STM32 系列：STMicroelectronics 提供的 32 位微控制器，广泛应用于嵌入式系统。
3. PIC 微控制器：Microchip Technology 提供的系列微控制器，常用于工业控制和消费电子产品。
4. 8051 微控制器：一种经典的 8 位微控制器架构，应用于许多嵌入式系统。

软件核心层级

• 裸机开发：直接操作寄存器控制硬件（C语言点灯实验）
• RTOS（实时操作系统）
  • 必要性: 多任务调度(如同时处理Wi-Fi通信 + 电机控制)
  • 常用系统: FreeRTOS(ESP8266兼容),Zephyr
• 通信协议
  • 设备间: I²C、SPI、UART（传感器与控制器通信）
  • 网络层: MQTT（物联网云通信）、Modbus（工业控制）

FreeRTOS架构解析

FreeRTOS 通过精妙的分层架构、确定性调度策略和硬件级优化实现实时低延迟与优先级抢占，其框架设计可通过以下结构图及核心机制解析

FreeRTOS通过 分层微内核+硬件加速调度+中断优先级隔离 实现硬实时

• 抢占式调度确保高优先级任务即刻响应

• 优先级继承消除资源竞争延迟

• FromISR API 缩短中断到任务唤醒路径

• Tickless模式兼顾低功耗与定时精度

  开发者需合理配置 FreeRTOSConfig.h（如调度策略、堆大小）并优化任务优先级分配，以发挥其极致实时性能

设计哲学：微内核架构仅包含调度、任务同步等必要功能，内核代码精简至几KB，通过 FreeRTOSConfig.h动态裁剪模块（如关闭定时器以节省资源）

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graph TD
    A[应用层] -->|调用API| B(FreeRTOS API层)
    B -->|依赖内核服务| C[内核层]
    C -->|硬件抽象接口| D[移植层]
    D -->|寄存器操作| E[硬件层]

任务调度机制（状态转换图）

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stateDiagram-v2
    [*] --> 创建态 : xTaskCreate()
    创建态 --> 就绪态 : vTaskStartScheduler()
    就绪态 --> 运行态 : 调度器选择（优先级抢占）
    运行态 --> 阻塞态 : vTaskDelay()/队列等待
    阻塞态 --> 就绪态 : 事件触发（如信号量释放）
    运行态 --> 挂起态 : vTaskSuspend()
    挂起态 --> 就绪态 : vTaskResume()

核心调度策略

1. 优先级抢占

   • 高优先级任务就绪时立即抢占低优先级任务
   • 优先级位图算法(uxTopReadyPriority)在常数时间内定位最高优先级任务

2. 时间片轮转

   同优先级任务共享CPU时间(通过SysTick中断触发切换)

3. 调度确定性保障

   任务切换时间<=1μs（Cortex-M），依赖硬件加速的上下文保存（PendSV异常自动压栈R0-R3等）

低延迟实现机制

中断管理框架

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flowchart TB
    硬件中断 -->|触发| ISR[中断服务例程]
    ISR -->|快速处理| A{需调用FreeRTOS API？}
    A -->|是| B[使用FromISR API<br>（如xSemaphoreGiveFromISR）]
    A -->|否| C[直接返回]
    B -->|触发| D[即时任务切换<br>（portYIELD_FROM_ISR）]

中断优先级分层：

• 不可屏蔽中断（优先级≤configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY）：禁止调用API，响应延迟极低（如电机控制）
• 可屏蔽中断（优先级＞阈值）：可安全调用API，但可能被内核短暂阻塞

优先级继承解决资源竞争

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sequenceDiagram
    participant 高优先级任务
    participant 互斥量
    participant 低优先级任务

    高优先级任务->>+互斥量: 请求获取（阻塞）
    互斥量->>+低优先级任务: 临时提升其优先级
    低优先级任务->>-互斥量: 释放资源
    互斥量->>-高优先级任务: 恢复运行

互斥锁（Mutex）动态提升低优先级任务的优先级，避免优先级反转导致高优先级任务阻塞

低功耗与实时性平衡（Tickless模式）

空闲时关闭SysTick中断，由高精度RTC唤醒并补偿节拍计数，减少功耗且不牺牲调度精度

开发工具链

自动化设备开发路径

阶段1：基础实践（2-4周）

1. 硬件入门：

   • 购买ESP32开发板（兼容Wi-Fi/蓝牙）。
   • 完成实验：GPIO控制LED、ADC读取温湿度传感器。

2. 软件框架：

   • 用PlatformIO搭建开发环境（支持VS Code）。
   • 编写C程序驱动外设（如按键触发电机）。

阶段2：系统进阶（4-8周）

1. RTOS实战：

   • 在ESP32上移植FreeRTOS，创建多任务（任务1：传感器采集；任务2：网络上报）。

2. 通信协议：

   • 通过ESP32的Wi-Fi发送传感器数据至云平台（MQTT协议）。

阶段3：自动化设备集成（8+周）

• 项目案例：智能浇水系统

伪代码示例：土壤湿度控制

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void task_sensor(void *pvParams) {
  while(1) {
    int moisture = read_sensor(); // 读取湿度传感器
    xQueueSend(data_queue, &moisture, 0); // 发送到队列
    vTaskDelay(5000); // 5秒采集一次
  }
}

void task_control(void *pvParams) {
  while(1) {
    int moisture;
    xQueueReceive(data_queue, &moisture, portMAX_DELAY);
    if (moisture < 30) digitalWrite(PUMP_PIN, HIGH); // 启动水泵
  }
}

硬件配置：

• 传感器：土壤湿度传感器 → ESP32 → 继电器控制水泵。

资源推荐

• 书籍：《嵌入式系统设计与实践》（O’Reilly）
• 课程：Coursera《Embedded Hardware and Operating Systems》
• 社区：GitHub（开源硬件项目）、EEVblog（硬件调试技巧）

关键提示：

从软件工程师到硬件融合的转型核心在于：

1. 动手为先：拆解旧家电（如遥控车）理解电路设计。
2. 渐进式学习：从Arduino快速原型到专业RTOS开发。
3. 利用现有优势：C/C++能力可快速切入驱动开发，网络知识助力物联网应用。

通过此路径，您可在3-6个月内构建完整的自动化设备开发能力，将软件经验转化为硬件创新力！

ESP开发板对比

• ESP8266：仅用于“触发型”场景（如收数据→发指令），复杂逻辑（如电机PID控制）必选ESP32。
• ESP32全系：新项目无脑入！ESP32-C3是ESP8266的理想升级，ESP32-S3则满足AI等前沿需求
• 避坑点：ESP8266的ADC仅1路且量程窄（0-1V），直接接传感器易烧毁，务必分压电路

GPIO

GPIO（General-Purpose Input/Output，通用输入输出接口）是嵌入式系统中最基础的硬件交互通道，可直接连接传感器、执行器或其他电子模块，实现芯片与物理世界的双向通信

硬件结构上看: 每个 GPIO 对应芯片的物理引脚（如 ESP8266 的 D0~D8），内部通过寄存器控制状态（无需外接复杂电路即可驱动 LED 或读取按钮）

GPIO 是嵌入式开发的“手脚” —— 通过它：

1. 感知世界（输入）→ 接收按钮、传感器信号。

2. 操控设备（输出）→ 驱动电机、点亮灯光。

   行动建议：

   • 入门套件推荐：购买 ESP32 开发板 + GPIO 实验套件（含按钮/LED/光敏电阻），花费约￥50。

   • 快速验证思路：用 Tinkercad 等电路仿真工具设计逻辑，再动手焊接。

     掌握 GPIO 后，您即可将 C++ 算法能力转化为实体自动化设备的控制力！

仿真软件

主流仿真工具

Tinkercad Circuits（最适合初学者）

参考视频教程

操作流程：

① 浏览器打开 Tinkercad→ 创建电路设计

② 拖入虚拟Arduino（如UNO/ESP32）和元件（如LED、传感器）

③ 用C++写控制代码（基于Arduino库） → 点击仿真按钮

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// 示例：虚拟按钮控制LED
void setup() {
  pinMode(2, INPUT); // 按钮接虚拟D2
  pinMode(13, OUTPUT); // LED接虚拟D13
}
void loop() {
  if (digitalRead(2) == HIGH) { // 按钮按下
    digitalWrite(13, HIGH);     // 亮灯
  } else {
    digitalWrite(13, LOW);
  }
}

优势：无需安装，支持ESP32/ESP8266仿真（含Wi-Fi模拟）

Proteus（专业级仿真）

代码流程：

① 在Arduino IDE用C++编译出HEX文件

② 在Proteus中导入HEX到虚拟MCU → 模拟传感器信号

适用场景：电机控制时序验证、ADC精度测试等精密仿真

fritzing

网址

Virtual Breadboard

VBB 电路仿真,仅支持win10系统

WOKWi

可以模拟包括ESP32在内的微控制器仿真

网址

基本电子元器件

• 灯泡

• LED

  与灯泡的不同在于有单向导通性,建议最大值为20mA,不烧坏LED也不影响寿命

• 三色RGB发光二极管

  可以理解为三个LED合成一体,有共阳极和共阴极两种,发光是RGB三色不同比例的叠加

• 滑动开关/多位开关/轻触按键

  多位开关: 多个滑动开关合并到一块

  轻触按键: 按下后状态改变,松开后恢复

  

  1a和1b 与 2a和2b是默认连通的,按下按钮就会全连通

• 常见的电池

  • 纽扣电池 常见CR系列为锂锰扣式电池 提供一个3V的电压,常见的cr2032系列
  • 干电池 一种以糊状电解液来产生直流电的化学电池,标称电压均为1.5V,日常使用型号有1号、5号、7号
  • 9V电池 积层电池 主要用于仪表测学仪器供电 电池容量小，电压高，内部化学反应迟經的电电流小能使用很长时间
  • 水果电池 利用水果中的化学物质和金属片发生反应产生电能的一种电池,电压很低

• 其他可以提供电压的设备

  • Arduino Uno R3 根据接线可以提供3.3V或5V的电压
  • 电源 能提供0~30V的电压,注意电流波轮是做了一个限流的作用而不是让你设置电流

• 测量仪器

  • 万用表 用于测量电压,电流与电阻
  • 示波器
  • 函数生成器

• 电位器 - 可调电阻

  改变接入电路的电阻阻值

• 人体红外检测模块PIR

  在安防领域中，PIR探测器的全称就是Passive Infrared Deteetor，即被动式红外探测器或身体感应器

  三个引脚: 电源,接地,信号 如果探测到移动,信号会输出电流

• 继电器

  一种电控制器件,可以理解成是用小电流控制大电流的一种自动开关

  

• 示波器 可以将数据收集起来,以曲线形式显示

• 蜂鸣器

  可以发出声音

  可以分有源和无源(是否有震荡源)蜂鸣器

  有源蜂鸣器给高电平会自动响,无源蜂鸣器需要给震荡的信号才能响

  Tinkercad仿真中提供的是有源蜂鸣器

  输入的pmw电压频率直接决定音调。频率越高，音调越高（声音越尖细）；频率越低，音调越低（声音越低沉）

• 舵机

• 红外接收器

最简单的自保持电路

舵机

舵机是一种位置（角度）伺服驱动器。它的核心功能是：接收一个控制信号，并精确地转动到并保持在那个指定的角度位置

当说“舵机”时，通常就是指那种三线、用PWM控制、内部集成了控制电路和电位器的位置伺服电机。它是伺服电机大家族中最常见、最易于使用的一员

伺服电机: 拥有闭环控制的电机

与普通电机的区别：普通直流电机通常只能控制“正转/反转/速度”，而舵机可以控制“转到特定角度”（比如精确转到30度、90度、180度）

与步进电机的区别：舵机内部集成了电机、减速齿轮、控制电路和反馈系统（如电位器），形成了一个闭环控制，所以它通常比开环控制的步进电机精度更高、扭矩更大、更易用。

红色是正极（通常4.8-6V），棕色是地线，橙色是PWM信号线(用于接收控制信号)

• 切勿将舵机的VCC直接接到Arduino的5V引脚上，尤其是扭矩较大的舵机！Arduino板载的5V稳压器无法提供足够电流，可能导致板子重启或烧毁。
• 务必使用外部电源（如电池组、独立的5V电源模块）为舵机供电，并将此外部电源的GND与Arduino的GND共地（连接在一起）

使用场景

舵机的“角度保持”特性使其非常适合需要精确定位的场景：

• 机器人关节：机器人的手臂、腿、头部、手指的转动。
• 航模/车模：控制飞机舵面（故名“舵机”）、汽车转向。
• 摄像头云台：控制摄像头上下左右转动，进行追踪。
• 智能门锁：控制锁舌的弹出和收回。
• 喂食器/开关：作为机械臂，远程控制一个物理开关的按下或松开

控制原理

舵机的控制需要一种特殊的PWM信号，其特点是：

• 频率：通常为 50Hz（即周期为20ms）。
• 脉冲宽度（高电平持续时间）：决定了舵机的角度。
  • 0.5ms 的脉冲宽度 -> 0° 位置
  • 1.5ms 的脉冲宽度 -> 90° 位置
  • 2.5ms 的脉冲宽度 -> 180° 位置

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xychart-beta
    title "舵机角度与脉冲宽度关系图"
    x-axis "脉冲宽度 (ms)" [0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5]
    y-axis "转动角度 (°)" 0 --> 180
    line [0, 45, 90, 135, 180]

脉冲宽度在0.5ms至2.5ms之间线性变化，舵机的角度就会在0°至180°之间相应变化

像Arduino这样的平台提供了现成的 Servo库，它可以自动帮我们处理这些底层细节

注意事项

1. 不要手动扭动：在断电时，不要用力强行手动旋转舵机轴，极易损坏内部的齿轮和电位器。
2. 注意扭矩：选择舵机时要注意其扭矩（kg·cm） 参数，扭矩太小可能带不动你的机械结构。
3. 供电要充足：务必使用外部电源供电，确保电源能提供足够的电流（单个舵机工作电流可达几百mA，动作时更大）。
4. 机械限位：很多舵机（如180°舵机）有物理限位，编程时不要试图让它转到超出范围的角度（如myServo.write(200)），否则会听到齿轮“打齿”的噪音，长期会损坏舵机。

电子电路

上拉和下拉电阻

用于确定引脚状态

上拉和下拉电阻的核心目的，是为按键（一个机械开关）在未被按下时，提供一个确定的、稳定的电平状态（高电平或低电平），防止其引脚处于不确定的“浮空”状态，从而避免误触发和电路不稳定

为什么需要他们

原因是浮空状态的危害

当我们把按键连接到微控制器（如 Arduino, STM32, 51单片机）的 GPIO 引脚时，理想情况是：

• 按键断开 -> 引脚读到一种明确电平（比如 3.3V）
• 按键闭合 -> 引脚读到另一种明确电平（比如 0V）

但问题在于，当一个引脚什么都不连接（即按键断开时）时，它处于高阻抗状态，也叫“浮空”状态。这个引脚的电平是不确定的，极易受到周围环境（如静电、电磁干扰）的影响，会在高电平和低电平之间随机波动。微控制器会因此读到混乱的信号，导致程序误以为按键被频繁地按下和释放

上拉/下拉电阻就是为了解决这个“浮空”问题而存在的

👆🏻上图中偏左的为上拉电阻,偏右的为下拉电阻

1. 优先使用上拉电阻：因为绝大多数微控制器（如Arduino, STM32, ESP32）的GPIO引脚都内部集成了可软件开启的上拉电阻。你只需要在代码中配置一下，无需外接物理电阻，非常方便。
   • Arduino示例: pinMode(pin, INPUT_PULLUP);
   • STM32 HAL示例: GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
2. 如果你的MCU没有内部下拉电阻，而你需要的逻辑又是“高电平有效”，那么就需要外接一个下拉电阻。

电阻值选择：通常选择 4.7kΩ 到 10kΩ 的电阻。阻值太大会无法有效拉平干扰；阻值太小则在按键按下时会产生过大的不必要的电流消耗（费电）,并且可能烧坏端口

PWM引脚

Arduino板上端口数字前带~表示他可以输出pwm信号

PWM是如何产生的？

微控制器（MCU）内部有多个专门的硬件模块，叫做定时器/计数器。它们就像一个个独立的小时钟，可以精确地计数和计时。

• 频率（Frequency）：由定时器的计数速度决定。定时器计数得多快，一个PWM周期的完成就有多快，从而决定了PWM的频率。
• 占空比（Duty Cycle）：在同一个定时器内，有专门的比较寄存器。当定时器的计数值小于比较寄存器的值时，输出高电平；大于时，输出低电平。改变比较寄存器的值，就能改变高电平的时间比例，即占空比。

关键点：一个定时器可以同时控制多个输出通道（通常2到4个），为这些通道提供相同的计数基准（即相同的频率），但每个通道都有自己独立的比较寄存器（即可以有不同的占空比）。

为什么同一块板子上的PWM引脚频率会不同？

因为你的开发板（比如常见的Arduino Uno、STM32等）的MCU芯片内部有多个定时器，而不是只有一个。

• 引脚分组：板子上的PWM引脚并不是平等的，它们被分组连接到不同的定时器上。

  例如，在Arduino Uno（基于ATmega328P）上：

  • 引脚 5 和 6 由Timer0控制，默认频率约 976 Hz。
  • 引脚 9 和 10 由Timer1控制，默认频率约 488 Hz。
  • 引脚 3 和 11 由Timer2控制，默认频率约 488 Hz。

这些定时器在出厂时或被Arduino库初始化为不同的默认值，所以它们产生的默认PWM频率就不同。

• 你也可以自己改变频率：通过编程，你可以重新配置这些定时器（比如改变它的预分频器设置），从而改变其频率。但请注意：

  • 如果你改变了Timer1的频率，那么所有由Timer1控制的引脚（如Arduino的9和10脚）的频率都会一起改变。
  • 由一个定时器控制的多个引脚，频率必然相同，但占空比可以各自独立设置。

为什么要这样设计？（这样设计的好处）

这种设计主要是为了灵活性和功能分工，主要原因有以下几点：

1. 兼顾精度与性能：

   • 高频PWM：适合控制开关电源、LED调光（消除人眼可见的闪烁）等需要快速响应的场合。
   • 低频PWM：适合控制舵机（Servo）、生成音频信号等需要精确脉冲宽度的场合。Arduino默认用Timer1（16位定时器）来产生更稳定的低频PWM，就是因为它的精度更高，更适合驱动舵机。

2. 独立控制，互不干扰：

   • 假设你有一个项目，需要同时：
     • 用高频PWM控制一个电机的转速（比如25kHz）。
     • 用50Hz的PWM信号控制一个舵机。
   • 如果所有PWM引脚都必须是同一个频率，你就无法同时完成这两个任务。
   • 有了多个独立定时器，你就可以将Timer0设置为高频率控制电机，同时将Timer1设置为50Hz来控制舵机，两者互不干扰。

3. 资源分配与优化：

   • 芯片设计者提供了多个不同位宽（8位、16位）和功能的定时器，以满足各种不同的应用需求。让用户可以根据项目需要，灵活分配这些硬件资源。

总结

• 不同频率：是因为它们背后连接的是不同的定时器硬件。
• 同一频率：连接在同一个定时器上的多个PWM引脚，必须有相同的频率。
• 为什么要这样：为了提供灵活性，允许用户为不同的任务（电机控制、舵机控制、LED调光等）同时设置不同的最佳频率，让各个功能模块互不干扰地工作。

设置的引脚10写入“100”是什么意思？为什么是方波?

在Arduino编程中，使用 analogWrite(pin, value)函数来向标有~的PWM引脚写入值。这个 value的取值范围是 0 到 255。

• analogWrite(10, 0)：表示占空比为 **0%**，引脚持续输出低电平（0V）。
• analogWrite(10, 255)：表示占空比为 **100%**，引脚持续输出高电平（5V）。
• analogWrite(10, 100)：表示占空比约为 **100/255 ≈ 39.2%。这意味着在一个PWM周期内，引脚只在39.2%的时间输出高电平（5V），其余60.8%**的时间输出低电平（0V）。

所以，您并没有命令引脚“一直输出高电平”，而是命令它“以大约39%的占空比快速开关”

输出电压 ≈ (100 / 255) × 5V ≈ 0.392 × 5V ≈ 1.96V

这正好完美匹配了您电压表上1.96V的读数！ 电压表告诉你的是：“这个引脚输出的平均电压是1.96V”，而示波器告诉你的是：“这个引脚是通过快速在5V和0V之间切换来产生这个1.96V平均电压的”

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//如果期望的是一条稳定的5V直线，不应该使用 `analogWrite`，而应该使用数字写入函数：
digitalWrite(10, HIGH); // 引脚持续输出5V，示波器上显示一条水平的直线，电压表显示5V

二者的应用场景对比

digitalWrite()：纯二进制控制

场景	典型应用	为什么用？
开关类器件	- 继电器通断	只需“开/关”状态，无需中间值
	- 晶体管/MOSFET开关
状态指示	- LED电源灯亮灭	视觉/听觉只需二元状态
	- 蜂鸣器报警鸣叫
数字通信	- SPI时钟线(SCK)	协议要求精确的0/1跳变
	- I²C起始信号
按钮读取	检测按键是否按下(HIGH/LOW)	输入本身就是数字信号

analogWrite()：模拟效果仿真

场景	典型应用	PWM的优势
调光/调色	- LED呼吸灯	✅ 无极调节亮度/颜色，无级变速平滑
	- RGB灯颜色渐变
电机调速	- 直流电机转速控制	✅ 精确控制功率输出，替代笨重的模拟电路
	- 风扇风力调节
舵机角度控制	机器人关节舵机（50Hz PWM信号）	✅ 用脉冲宽度精确映射角度 (0°~180°)
简易音频合成	生成方波音乐（如8-bit游戏音效）	✅ 频率可调，占空比改变音色
加热功率控制	电热丝/加热片温控	✅ 高效调节发热功率

• digitalWrite是控制世界的开关
• analogWrite是调节万物的旋钮

1. PWM是“假”模拟：
   Arduino Uno/Nano 没有真正的DAC（数模转换器）。analogWrite()只是通过PWM高速开关模拟出中间电压效果。需外接DAC芯片才能输出真实连续电压（如音频输出）。

2. 分辨率限制：
   标准Arduino PWM为8位 (0-255共256级)，精细度有限。STM32等高端MCU可达16位(0-65535)，精度提升256倍！

3. 引脚冲突风险：
   修改PWM频率（如 TCCR1B寄存器）会影响同一定时器的所有引脚！例如改Timer1频率后，Pin9和Pin10行为会同时变化。

4. 驱动能力≠输出类型：
   无论digitalWrite还是analogWrite，最大输出电流仅约40mA。驱动大功率设备（电机/灯带）必须加晶体管/MOSFET驱动电路！

PWM引脚的”bug”

以ARDUINO UNO板子为例,会有下面的情况:

• 舵机影响9和10引脚pwm
• 蜂鸣器和红外接收影响3和11引脚pwm

原因是: Arduino UNO (基于ATmega328P芯片) 只有3个独立的硬件定时器

Arduino UNO的PWM引脚是这样分配给各个定时器的：

• Timer0 -> 控制引脚 5 和 6
• Timer1 -> 控制引脚 9 和 10
• Timer2 -> 控制引脚 3 和 11

一些复杂的库（如舵机库Servo.h、红外接收库IRremote.h）为了实现其功能，需要接管（Reconfigure） 整个定时器。

• **舵机库 (Servo.h) 与 引脚9和10 (Timer1)**：
  • 舵机需要非常精确的50Hz PWM信号。
  • 为了方便和保证精度，Servo.h库默认会接管16位的Timer1，将其强制设置为产生50Hz的PWM模式。

更强大的板子（如ESP32, STM32, Arduino Mega）情况好得多

例如，ESP32有高达16个定时器，STM32F4系列有14个以上，Arduino Mega有6个

更简单的板子（如ATTiny85）情况更糟

如ATTiny85,只有1~2个定时器

模拟引脚

• 在Arduino等开发板上，通常标有 **”A0”, “A1”, “A2”…**。

• 其背后连接的是一个叫做 ADC (Analog-to-Digital Converter，模数转换器) 的硬件模块

• 模拟引脚 (Analog Input Pins) -> 负责读取外部的模拟世界（如温度、光线强度）。

• PWM引脚 (Digital PWM Pins) -> 负责模拟输出一个中间值，去控制外部设备。

原理

模拟引脚的实现依赖于一个叫做 ADC (Analog-to-Digital Converter，模数转换器) 的硬件模块。它的任务是将一个连续的模拟电压信号，转换成一个离散的数字数值，以便MCU的数字核心能够读取和处理

当你执行 analogRead(A0)时，底层硬件悄然完成以下操作：

1. MCU内部的多路选择器将A0引脚连接到ADC模块。
2. ADC启动一次转换。
3. 采样保持电路捕获A0引脚上的瞬时电压。
4. ADC进行量化，将电压值转换为0-1023之间的数字。
5. 转换完成，结果被存入数据寄存器。
6. analogRead()函数从这个寄存器中取出这个值并返回给你的程序。

详细如下:

1. 采样 (Sampling)

   ADC并不是持续不断地测量电压，而是以一个固定的时间间隔（由采样频率决定），快速地“瞥一眼”输入引脚上的电压值，并把这个瞬间的电压值捕获下来

采样率 (Sample Rate)。根据奈奎斯特采样定理，采样频率必须至少是输入信号最高频率的2倍，才能无失真地还原原始信号。但对于大多数Arduino测量的传感器（如缓慢变化的温度、光线），默认的采样率已经足够

1. 量化 (Quantization)

   捕获到的模拟电压值可以是某个范围内的任意值（如3.1415926… V）。但ADC需要把它“归类”到一个有限的、离散的等级中去。这就是分辨率的概念

   分辨率 (Resolution)，通常用位数 (bits) 表示。

   • Arduino UNO的ADC是 10位 的。这意味着它可以将 0V至5V 的参考电压（Vref）划分为 2¹⁰ = 1024 个离散的等级（从0到1023）。
   • 每个等级代表的电压差是： 5V / 1024 ≈ 0.00488V (4.88mV)

2. 编码 (Encoding)

   将量化后得到的等级数值，转换成一个二进制数字，并存储到MCU的寄存器中，等待程序通过 analogRead()函数来读取

   最终在代码中得到的 int sensorValue = analogRead(A0);里的 sensorValue，就是这个编码后的数字值（0-1023）

相关参数

1. 分辨率 (Resolution)

   • 定义：ADC能区分的最小电压变化能力，位数越高，分辨率越高。
   • 举例：
     • 10位 (Arduino UNO)：范围 0-1023，最小电压步进 ~4.88mV。
     • 12位 (STM32, ESP32)：范围 0-4095，最小电压步进 ~1.22mV（假设5V参考电压）。精度是10位的4倍！
   • 影响：分辨率决定测量的精细度，高分辨率ADC能探测到更微弱的电压变化。

2. 参考电压 (Reference Voltage, Vref)

   • 定义：ADC用于比较和量化的基准电压，通常是MCU的工作电压（如Arduino UNO为5V）。
   • 重要性：测量小电压范围（如0-1V）时，若使用5V参考电压，精度会大幅浪费。
   • 解决方案：许多MCU允许改变参考电压，使用analogReference()函数可改变Arduino的参考电压，提高精度。

3. 采样速度 (Conversion Speed)

   • 定义：ADC完成一次采样-量化-编码过程所需时间。
   • 影响：决定能测量多快变化的信号，捕获音频信号（20kHz）需高采样速度（>40kHz），而测量温度等缓慢变化的数据，低速ADC也足够。