《超圖解ESP32應用實作》分別使用「中斷常式」以及「查表法」，檢測附帶霍爾感測器的馬達的轉向和轉速，以及旋轉編碼器的轉向和脈衝數。本文將沿用書中「動手做15-1：使用自訂程式庫製作旋鈕介面」的電路，介紹採用ESP32內建的「脈衝計數器（Pulse Counter）」，編寫檢測旋轉編碼器的轉向和脈衝數的程式。
ESP32晶片內部有偵測與計算脈衝訊號變化的專屬電路，叫做「脈衝計數器」。比起用「中斷」或「查表法」，使用晶片內建的脈衝計數器不占用處理器的運作資源，檢測頻率也更高，但缺點是，程式僅適用於ESP32晶片，無法用於其他微控器開發板。
實際上，ESP32脈衝計數器的相關程式庫，並未包含在ESP32 Arduino平台，而是位於樂鑫官方的ESP-IDF開發環境。由於ESP32 Arduino的底層就是ESP-IDF（詳閱《超圖解ESP32深度實作》第一章），所以Arduino程式可引用ESP-IDF的程式庫。
脈衝計數器的詳細說明以及完整的操作函式介紹，請參閱樂鑫官方的「脈衝計數器」（簡體中文）說明文件（這是英文版）。本文僅說明範例實作所需的背景知識與相關函式。
ESP32的脈衝計數器單元
ESP32內部有8組獨立運作的脈衝計數器單元，分別命名為PULSE_CNT_U0 ~ PULSE_CNT_U7，用於計數輸入脈衝的上升邊緣或下降邊緣，偵測的脈衝頻率上限為40MHz。底下是ESP32晶片內部的脈衝計時器單元簡圖：
每個脈衝計數器單元均有一個帶正負號的16位元（即：int16_t）計數暫存器，以及兩個通道（channel），可用程式配置在偵測到脈衝訊號時，要增加或減少計數值。每個通道都有一個脈衝輸入訊號以及一個控制輸入訊號（如：控制增加或減少計數值）。
「脈衝訊號」是必要的，「控制訊號」則可有可無。以典型的旋轉編碼器波形為例，其中一個訊號（此例為CLK腳）可當作「脈衝訊號」，另一個訊號（此例為DT腳）當作「控制訊號」。
設置「脈衝計時器」工作模式的pcnt_config_t結構體
在ESP32 Arduino開發環境1.x及2.x版，操控脈衝計時器的是pcnt.h程式庫，3.x版本之後，改用另一個程式庫（下一篇文章再說明），但採用pcnt.h的程式仍可在3.x版本開發環境中正常編譯執行。
pcnt.h程式庫定義了用於配置脈衝計數器的pcnt_config_t結構體，它具有以下排列順序的成員：
- int pulse_gpio_num：設定輸入「脈衝訊號」的接腳編號，例如，連接旋轉編碼器CLK的接腳。
- int ctrl_gpio_num：設定輸入「控制訊號」的接腳編號，例如，連接旋轉編碼器DT的接腳。
- pcnt_ctrl_mode_t lctrl_mode：設定「控制訊號」於「低電位」時的脈衝訊號計數模式。pcnt_ctrl_mode_t是此程式庫定義的enum（列舉）型態常數，其可能值為下列之一：
- PCNT_MODE_KEEP：根據下文介紹的pos_mode和neg_mode的設定進行計數；KEEP意指「維持」。
- PCNT_MODE_REVERSE：計數方式與下述的pos_mode及neg_mode中的設定相反；REVERSE代表「反向」。
- PCNT_MODE_DISABLE：不計數；DISABLE代表「取消」。
- PCNT_COUNT_DIS：不計數，“DIS”意指“DISABLE”（取消）。
- PCNT_COUNT_INC：計數加1，“INC”意指“INCREASE”（增加）。
- PCNT_COUNT_DEC：計數減1，“DEC”意指”DECREASE”（減少）。
假若要將脈衝計數器設定成：採用PCNT_UNIT_0計數器單元的通道0、僅在偵測到脈衝訊號的上升邊緣時，增加計數值，計數值的上、下限分別設為10, -10。
設置pcnt_config結構體的程式片段如下：
#include <driver/pcnt.h> // 引用pcnt.h程式庫
#define CLK_PIN 4 // 旋轉編碼器的CLK，接脈衝訊號輸入腳。
#define DT_PIN 5 // 旋轉編碼器的DT，接控制訊號輸入腳。
#define SW_PIN 6 // 開關腳
: 略
pcnt_config_t pcnt_config = {
.pulse_gpio_num = CLK_PIN, // 脈衝訊號腳
.ctrl_gpio_num = DT_PIN, // 控制訊號腳
.lctrl_mode = PCNT_MODE_DISABLE, // 控制訊號低電位時：取消。
.hctrl_mode = PCNT_MODE_KEEP, // 控制訊號高電位時：維持以下設定。
.pos_mode = PCNT_COUNT_INC, // 上升邊緣：計數+1
.neg_mode = PCNT_COUNT_DIS, // 下降邊緣：不計數
.counter_h_lim = 10, // 數值上限
.counter_l_lim = -10, // 數值下限
.unit = PCNT_UNIT_0, // 計數器單元名稱
.channel = PCNT_CHANNEL_0 // 通道名稱
};
脈衝計數器相關函式
設置pcnt_config結構體之後，必須執行pcnt_unit_config函式初始化脈衝計時器，此函式的原型如下，它接收一個參數，也就是指向pcnt_config_t結構型態的變數的指標。
esp_err_t pcnt_unit_config(const pcnt_config_t *pcnt_config);
此函式有三種可能的傳回值：
- ESP_OK：初始化成功
- ESP_ERR_INVALID_STATE：初始化錯誤，可能是之前已初始化，或者執行底下的函式時，尚未初始化。
- ESP_ERR_INVALID_ARG：參數錯誤
本文的範例程式將不接收與處理函式的傳回值。下列三個函式用於控制計數器，它們都接收一個代表「脈衝計時器單元」的參數，可能值為PCNT_UNIT_0 ~ PCNT_UNIT_7；傳回值跟上面一樣。
esp_err_t pcnt_counter_pause(pcnt_unit_t pcnt_unit)：暫停計數器
esp_err_t pcnt_counter_resume(pcnt_unit_t pcnt_unit)：重啟計數器
esp_err_t pcnt_counter_clear(pcnt_unit_t pcnt_unit)：清除計數值
底下是取得脈衝計數值的函式，第一個參數是「脈衝計時器單元」，第二個參數則是指向儲存計數值的int16_t型態的變數；傳回值跟上面一樣。
esp_err_t pcnt_get_counter_value(pcnt_unit_t pcnt_unit, int16_t *count);
第一個脈衝計數器的完整程式碼
建立一個「順時針轉動」旋轉編碼器時，增加計數值；「逆時針轉動」時，數值維持不變；計數值上限為10。完整的程式碼如下：
#include <driver/pcnt.h> // 引用pcnt.h程式庫
#define CLK_PIN 4 // 旋轉編碼器的接腳，請自行修改。
#define DT_PIN 5
#define SW_PIN 6
// 初始化脈衝計時器
void initPCNT() {
pcnt_config_t pcnt_config = {
.pulse_gpio_num = CLK_PIN, // 脈衝訊號腳
.ctrl_gpio_num = DT_PIN, // 控制訊號腳
.lctrl_mode = PCNT_MODE_DISABLE, // 控制訊號低電位時：取消。
.hctrl_mode = PCNT_MODE_KEEP, // 控制訊號高電位時：維持以下設定。
.pos_mode = PCNT_COUNT_INC, // 上升邊緣：計數+1
.neg_mode = PCNT_COUNT_DIS, // 下降邊緣：不計數
.counter_h_lim = 10, // 數值上限
.counter_l_lim = -10, // 數值下限
.unit = PCNT_UNIT_0, // 計數器單元名稱
.channel = PCNT_CHANNEL_0 // 通道名稱
};
pcnt_unit_config(&pcnt_config); // 套用上述設定
pcnt_counter_pause(PCNT_UNIT_0); // 暫停脈衝計數器
pcnt_counter_clear(PCNT_UNIT_0); // 清除脈衝計數值
pcnt_counter_resume(PCNT_UNIT_0); // 重啟脈衝計數器
}
void setup() {
Serial.begin(115200);
/*
全部接腳都設為「輸入」模式。如果你的旋轉編碼器沒有
內建上拉電阻，請將INPUT改成INPUT_PULLUP。
*/
pinMode(CLK_PIN, INPUT);
pinMode(DT_PIN, INPUT);
pinMode(SW_PIN, INPUT);
initPCNT(); // 初始化脈衝計時器
}
void loop() {
static int16_t lastCount = 0; // 紀錄「上一次」計數值
int16_t count = 0; // 暫存「本次」計數值
pcnt_get_counter_value(PCNT_UNIT_0, &count); // 取得脈衝計數值
if (lastCount != count) {
lastCount = count;
Serial.printf("%d\n", count); // 顯示計數值
}
if (digitalRead(SW_PIN) == LOW) { // 若開關被按下…
pcnt_counter_clear(PCNT_UNIT_0); // 清除計數值
}
delay(10);
}
編譯上傳到ESP32開發板之後，依順時針方向持續轉動旋轉編碼器，序列埠監控窗將顯示1, 2, 3, …. 9, 0, 1, 2, …。往逆時針方向轉動，數值不會改變。
旋轉方向增、減計數值的程式
把上一節的程式規則改成：順時針轉動時，增加計數值；逆時針轉動，減少計數值，也就是加入偵測脈衝訊號的「下降邊緣」，以及反向計數的「控制訊號」：
程式本體不變，僅需修改pcnt_config結構體：
pcnt_config_t pcnt_config = {
.pulse_gpio_num = CLK_PIN,
.ctrl_gpio_num = DT_PIN,
.lctrl_mode = PCNT_MODE_REVERSE, // 低電位：反向
.hctrl_mode = PCNT_MODE_KEEP, // 高電位：保持不變
.pos_mode = PCNT_COUNT_INC, // 增加計數
.neg_mode = PCNT_COUNT_DEC, // 減少計數
.counter_h_lim = 10,
.counter_l_lim = -10,
.unit = PCNT_UNIT_0,
.channel = PCNT_CHANNEL_0
};
編譯上傳到ESP32開發板之後，依順時針方向持續轉動旋轉編碼器，會增加計數值。往逆時針方向轉動，數值會減少。
