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STM32 学习10 PWM输出
一、PWM简介
1. PWM的概念
PWM的全称是脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），是一种控制模拟信号的方法。它通过改变脉冲的宽度来控制模拟信号的平均值。
2. PWM的工作原理
PWM的工作原理是将一个周期性的脉冲信号与一个控制信号进行比较。当控制信号大于脉冲信号时，输出高电平；当控制信号小于脉冲信号时，输出低电平。通过改变脉冲信号的宽度，可以控制输出信号的平均值。
输出信号的平均值连在一起，可以达到模拟信号的效果，如下图所示：
3. PWM 常用的应用场景
- 电机控制：用于控制电机的速度和方向；
- 照明控制：用于控制灯光的亮度；
- 电源管理：用于控制电源的输出电压；
- 音频控制：用于控制声音的大小。
二、一些概念
1. 频率
PWM波形在单位时间内重复出现的次数。
2. 占空比
PWM波形中高电平信号所占的比例。
三、STM32F1 PWM介绍
1. 定时器与寄存器
STM32F1除了基本定时器TIM6和TIM7，其它定时器都可以产生PWM输出。其中：
- TIM1和TIM8：均可同时产生7路PWM输出；
- 其它通用定时器：均可同时产生4路PWM输出。
在STM32微控制器中，生成PWM信号通常涉及到自动重装载寄存器（ARR）和比较寄存器（CCR）两个重要的寄存器。
（1）自动重装载寄存器（ARR）：
- 通过修改ARR的值，可以调节PWM信号的周期，从而改变PWM信号的频率。
- 当ARR增加时，整个PWM信号的周期增加，导致PWM信号的频率降低。
（2）比较寄存器（CCR）：
- 通过修改CCR的值，可以调节PWM信号的占空比，从而改变PWM信号的高电平持续时间。
- CCR的值通常应该小于ARR的值，以确保PWM信号的占空比在0到100%之间。
- 当CCR增加时，高电平部分的持续时间增加，导致PWM信号的占空比增加。
2. PWM的输出模式
PWM输出模式一共8种，常用的是PWM1和PWM2，其用法差不多，区别如下：
下表是PWM1和PWM2的区别：
（1）PWM模式1
在该模式下，定时器的计数器从0开始递增，
- 当计数器的值小于CCR时，输出为高电平；
- 当计数器的值大于等于CCR时，输出为低电平；
- 在计数器达到ARR时，产生一个更新事件，计数器重新从0开始计数。
这种模式下，PWM信号的周期由ARR决定，占空比由CCR决定。
（2）PWM模式2
与PWM模式1相比，PWM模式2输出有效性正好是相反的。
下表是PWM1和PWM2的比较：
| 模式 | CNT 计算方式 | CNT<CCR | CNT>CCR |
|---|---|---|---|
| PWM1 | 递增 | 通道CH有效 | 通道CH无效 |
| PWM1 | 递减 | 通道CH无效 | 通道CH有效 |
| PWM2 | 递增 | 通道CH无效 | 通道CH有效 |
| PWM2 | 递减 | 通道CH有效 | 通道CH无效 |
3. 边沿对齐与中心对齐
（1）边沿对齐模式
- 在边沿对齐模式下，PWM信号的起始位置位于PWM周期的起始边沿（即ARR），然后递增至CCR，再递增至ARR，最后重复此过程。
- PWM信号的高电平和低电平都与PWM周期的边沿对齐，即从PWM周期的起始边沿开始。
- 边沿对齐模式通常用于需要高精度输出的应用，例如需要精确控制PWM信号的起始和终止时间的应用场景。
以上图为例，TIMx_CR1寄存器的DIR位为低时，递增计数，设ARR=8，当CCRx=4时： - CNT从0增至3的时候，输出PWM参考信号0CxREF为有效的高电平；
- CNT从4到8的时候，0CxREF输出为低电平；
0CXREF表示定时器的比较器
（2）中心对齐模式
- 在中心对齐模式下，PWM信号的起始位置位于PWM周期的中间，然后递增至CCR，再递减至0，再重复此过程。
- PWM信号的高电平和低电平都与PWM周期的中心对齐，即从PWM周期的中间开始。
- 中心对齐模式通常用于需要调节占空比范围较大的应用，例如需要在PWM周期内任意调节占空比的应用场景。由于PWM信号的起始位置位于PWM周期的中间，因此可以实现更宽范围的占空比调节。
以上图为例，设ARR=8，当CCRx=4时，
- 当CNT<CCRx，输出为有效信号高电平 ；
- 当CNT>CCRx，输出为有效信号低电平；
四、PWM输出配置步骤
PWM 的配置在库文件 time.c 中。
1. 使能定时器及端口时钟
下面是使能设置代码：
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); 2. 定时器的重映像
后面示例的 PWM 需要配置引脚的复用功能（重映像），定时器的重映像可在《STM32F10x参考手册》查询，摘录如下：
（1）定时器4复用功能重映像
（2）定时器3复用功能重映像
（3） 定时器2复用功能重映像
以使用 TIM3 的通道1为例，它默认是在PA6引脚上，它完全重映像是在PC6，后面使用的开发板上原理图示：
示例代码将使用PC6输出TIM3的通道1 PWM波。
代码示例：
// 设置 TIM3 完全重映像 GPIO_PinRemapConfig(GPIO_FullRemap_TIM3, ENABLE); 3. 输出端口复用
在输出PWM信号时，通常需要考虑信号的稳定性、噪声抑制以及输出电流的能力等因素。复用推挽输出是一种常见的配置方式。
// 复用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; 4. 初始化定时器参数
包括 ： 自动重载值、分频系数、计数方式等。
void TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef*TIMx, TIM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStructure) 5. 初始化PWM输出参数
包括 ：PWM 模式、输出极性、使能等。
void TIM_OCxInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStructure); // 结构体定义 typedef struct { uint16_t TIM_OCMode; // 比较输出模式 uint16_t TIM_OutputState; // 比较输出使能 uint16_t TIME_OutputNState: // 比较互补输出使能 uint32_t TIM_Pulse; // 脉冲宽度 0~65535 /** * 输出极性 * * TIM_OCPolarity_High: 高电平有效 * * TIM_OCPolarity_Low: 低电平有效 */ uint16_t TIM_OCPolarity; /** * 互补比较输出极性 * * TIM_OCNPolarity_High: 高电平有效 * * TIM_OCNPolarity_Low: 低电平有效 */ uint16_t TIM_OCNPolarity; /** * 空闲状态下比较输出状态 * * TIM_OCIdleState_Set: 置位 * * TIM_OCIdleState_Reset: 复位 */ uint16_t TIM_OCIdleState; /** * 空闲状态下比较输出状态 * * TIM_OCNIdleState_Set: 置位 * * TIM_OCNIdleState_Reset: 复位 */ uint16_t TIM_OCNIdleState; } TIM_OCInitTypeDef; 6. 开启定时器
// NewState: 新的状态，可以是 ENABLE 或 DISABLE。 void TIM_Cmd(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState) 7. 修改TIMx_CCRx的值控制占空比
void TIM_SetCompare1(TIM_TypeDef* TIMx, uint32_t Compare1); 8. 使能 TIMx 在 CCRx 上的预装载寄存器
// 参数 TIM_OCPreload 可为 TIM_OCPreload_Enable、TIM_OCPreload_Disable void TIM_OCxPreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPreload); 9. 使能 TIMx 在 ARR上的预装载寄存器允许位
// NewState: 新的状态，可以是 ENABLE 或 DISABLE。 void TIM_ARRPreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState); 10. 设置 MOE位
对于高级定时器，需要设置MOE位。
MOE 位，全称 Master Output Enable，是定时器控制寄存器 1 (TIMx->CR1) 中的一个控制位(15位)，用于使能或禁用定时器主输出。
- MOE 位可以用于控制 PWM 输出的使能和禁用。
- 可以使用 MOE 位来实现软启动和软停止功能。
- 可以使用 MOE 位来实现故障保护功能。
void TIM_CtrlPWMOutputs(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState); 五、代码示例
本实验对TIM3控制，使用通道1， 对TIM3_CH1重映像到PC6引脚，控制PC6上接的LED亮度。
示例程序控制LED呼吸灯效果，渐渐变亮，再渐渐变暗。
1. pwm_utils.h
#ifndef __PWM_UTILS_H__ #define __PWM_UTILS_H__ #include "stm32f10x.h" void tim3_ch1_pwm_init(u16 preriod, u16 prescaler); void tim3_ch1_pwm_set_duty(u16 duty); #endif 2. pwm_utils.c
#include "pwm_utils.h" #include "led_utils.h" /** * @brief 定时器3初始化 */ void tim3_ch1_pwm_init(u16 preriod, u16 prescaler){ // 使能TIM3时钟 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); // 使能LED所在端口的时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE); // 使能AFIO RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //定义GPIO初始化结构体 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //设置输出速度为50MHz GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //设置为推挽输出模式 GPIO_Init(LED_PORT, &GPIO_InitStructure); //初始化 LED_PORT // 管脚重映像 GPIO_PinRemapConfig(GPIO_FullRemap_TIM3, ENABLE); // 定时器初始化 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = preriod; //设置自动重装载寄存器周期值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = prescaler; //设置时钟预分频数 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分频因子 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 初始化 TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); // PWM模式1 TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low; //输出极性:TIM输出比较极性高 TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能 TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); //根据T指定的参数初始化外设TIM3 OC1 // 使能TIM3的CCR1寄存器预装载 TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); // 使能TIM3的ARR寄存器预装载 TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); // 使能TIM3 TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); } void tim3_ch1_pwm_set_duty(u16 duty){ // 设置定时器3的PWM占空比 TIM_SetCompare1(TIM3, duty); } 3. main函数实现
#include "gpio_utils.h" #include "stm32f10x.h" #include "sys_tick_utils.h" #include "led_utils.h" #include "pwm_utils.h" // 主函数 int main(void) { // led 初始化 custom_led_init(); // tick 初始化 sys_tick_init(72); NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // PWM 初始化,2K tim3_ch1_pwm_init(500, 72-1); led_all_off(); int i = 0; u8 direction=0; while (1) //无限循环 { tim3_ch1_pwm_set_duty(i); if(direction==0){ i++; }else{ i--; } if(i>300){ direction = 1; }else if(i<1){ direction = 0; } delay_ms(10); } } 实测PC6的波形是一直变化中：
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