TL; DR 代码见GitHub Gist: Jamesits/high-frequency-square-wave-generator-esp8266.ino
继在Arduino UNO上实现了高频方波发生器之后，我把魔爪伸向了便宜量足的ESP8266。它能不能产生符合要求的高频波形呢？
初测
分析ESP8266 Arduino SDK的 digitalWrite() 实现后发现，ESP8266的IO分为两组：0-15号，由同一组寄存器控制；16号独立控制。要实现对0-15号IO口的控制，只需要向 GPOS （置1）和 GPOC （置0）寄存器的相应位置写数据即可。
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 |
#include <esp8266_peri.h> void setup() { pinMode(5, OUTPUT); while(1) { // set high GPOS = (1 << 5); // set low GPOC = (1 << 5); } } void loop() { } |
（为了获得尽可能快的结果，代码省去了几乎所有非必要的功能和函数调用。）
测试结果：
- 80MHz：约5.88MHz
- 160MHz CPU：约6.25MHz
看门狗问题
但是这样做还有个问题：ESP8266会以每六秒钟多一点一次的频率重启。（如果你的ESP模块的PIN 4上焊有LED，重启时LED会短暂闪亮一下。）研究发现，ESP8266由于在软件上实现了Wi-Fi和TCP stack，故意设计了双重watchdog：软件watchdog会在各种系统函数里面被调用，用来执行网络操作，SDK提供了一个禁用/启用的函数；硬件watchdog是强制开启的，没有提供禁用方法，喂狗间隔6.7s左右，会在软件watchdog调用时喂。由于大部分人写的代码或多或少会频繁调用一些系统函数，因此不会感知到这两个watchdog的存在；而现在的这份代码由于死循环且循环内不调用任何函数，一开机就会触发watchdog重启。
为了测试喂狗造成的时间问题，我在上面的程序里加入了喂狗函数，然后重新测试。
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 |
#include <Esp.h> #include <esp8266_peri.h> #define PINOUT 5 void setup() { // disable software watchdog ESP.wdtDisable(); pinMode(PINOUT, OUTPUT); while(1) { // set high GPOS = (1 << PINOUT); // set low GPOC = (1 << PINOUT); // feed hardware watchdog ESP.wdtFeed(); // shift again so we can measure the timing of watchdog feeding GPOS = (1 << PINOUT); GPOC = (1 << PINOUT); } } void loop() { } |
测试结果：
现在的确不重启了。不幸的是，如图所示，喂狗大约需要430ns，这的确是一笔不小的开销。有没有办法绕过硬件watchdog呢？
经过一番研究，我发现Mongoose OS在ESP8266 SDK中禁用了硬件watchdog。他们是怎么实现的呢？其实，硬件watchdog有一个开关，只不过ESP8266 Arduino SDK开发者认为关掉它会影响基础功能，没有实现。Mongoose OS的 esp_hw_wdt_disable() 函数实现了关闭硬件watchdog功能，那么我们把它抄过来。
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 |
#include <Esp.h> #include <esp8266_peri.h> #include <eagle_soc.h> #define REG_WDT_BASE 0x60000900 #define WDT_CTL (REG_WDT_BASE + 0x0) #define WDT_CTL_ENABLE (BIT(0)) #define PINOUT 5 void setup() { // disable hardware watchdog CLEAR_PERI_REG_MASK(WDT_CTL, WDT_CTL_ENABLE); // disable software watchdog ESP.wdtDisable(); pinMode(PINOUT, OUTPUT); while(1) { // set high GPOS = (1 << PINOUT); // set low GPOC = (1 << PINOUT); } } void loop() { } |
测试结果：
结果是非常完美的。
实现固定频率方波发生器
接下来，我们把上一篇文章实现的高频方波发生器移植过来。
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 |
#include <Esp.h> #include <esp8266_peri.h> #include <eagle_soc.h> #define REG_WDT_BASE 0x60000900 #define WDT_CTL (REG_WDT_BASE + 0x0) #define WDT_CTL_ENABLE (BIT(0)) #define PINOUT 5 double freq; // Hz double offset; // percent double width; // percent // unit: microsecond unsigned long cycle_time; unsigned long raising_edge; unsigned long falling_edge; unsigned long prev_micros; // compare 2 unsigned value // true if X > Y while for all possible (X, Y), X - Y < Z #define TIME_CMP(X, Y, Z) (((X) - (Y)) < (Z)) inline void setHigh() { GPOS = (1 << PINOUT); } inline void setLow() { GPOC = (1 << PINOUT); } void setup() { CLEAR_PERI_REG_MASK(WDT_CTL, WDT_CTL_ENABLE); ESP.wdtDisable(); pinMode(PINOUT, OUTPUT); // calculate arguments freq = 1; width = 0.5; offset = 0.0; cycle_time = 1000000 / freq; raising_edge = (unsigned long)(offset * cycle_time) % cycle_time; falling_edge = (unsigned long)((offset + width) * cycle_time) % cycle_time; prev_micros = micros(); // do pinout shifting while(1) { if (width + offset < 1) { // raising edge should appear earlier while (TIME_CMP(micros(), prev_micros + raising_edge, cycle_time)); setHigh(); while (TIME_CMP(micros(), prev_micros + falling_edge, cycle_time)); setLow(); } else { // falling edge should appear earlier while (TIME_CMP(micros(), prev_micros + falling_edge, cycle_time)); setLow(); while (TIME_CMP(micros(), prev_micros + raising_edge, cycle_time)); setHigh(); } prev_micros += cycle_time; } } void loop() { } |
测试结果：
| 设定方波频率 | 实测方波频率 | 误差 | 备注 |
| >250KHz | 333.27KHz-341.82KHz | – | 极限频率以上，误差过大无法使用 |
| 250KHz | 249.95KHz | 0.02% | |
| 100KHz | 99.98KHz | 0.02% | |
| 50KHz | 49.99KHz | 0.02% | |
| 1000Hz | 999.80Hz | 0.02% |
- 得益于高速CPU，ESP8266在方波发生器程序上的表现远好于Arduino UNO
- CPU频率设置到80MHz或160MHz不影响测试结果
- 250KHz处有一个间断点；超过此频率即出现较大误差，且脉宽设定也会失效
- 其余测试数据上的0.02%误差应该是梦源实验室DSView软件浮点数计算导致的系统误差
- 如果你设定的方波频率过高，ESP8266可能因为固件bug而死机；因为我们禁用了watchdog，它无法自行重启。如果用于生产环境，请务必注意。
参考：
谢谢博主分享的经验。我想问下你用的是什么型号的示波器？
文中截图用的是梦源实验室的 DScope https://www.dreamsourcelab.com/product/dscope-u2p20/