STM32 学习10 PWM输出

STM32 学习10 PWM输出

  • 一、PWM简介
    • 1. PWM的概念
    • 2. PWM的工作原理
    • 3. PWM 常用的应用场景
  • 二、一些概念
    • 1. 频率
    • 2. 占空比
  • 三、STM32F1 PWM介绍
    • 1. 定时器与寄存器
      • （1）**自动重装载寄存器（ARR）**：
      • （2）**比较寄存器（CCR）**：
    • 2. PWM的输出模式
      • （1）PWM模式1
      • （2）PWM模式2
    • 3. 边沿对齐与中心对齐
      • （1）边沿对齐模式
      • （2）中心对齐模式
  • 四、PWM输出配置步骤
    • 1. 使能定时器及端口时钟
    • 2. 定时器的重映像
      • （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
    • 3. 输出端口复用
    • 4. 初始化定时器参数
    • 5. 初始化PWM输出参数
    • 6. 开启定时器
    • 7. 修改TIMx_CCRx的值控制占空比
    • 8. 使能 TIMx 在 CCRx 上的预装载寄存器
    • 9. 使能 TIMx 在 ARR上的预装载寄存器允许位
    • 10. 设置 MOE位
  • 五、代码示例
    • 1. pwm_utils.h
    • 2. pwm_utils.c
    • 3. main函数实现

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：
wikipedia示例

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<CCRCNT>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。
    在这里插入图片描述
    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。

在这里插入图片描述
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

在这里插入图片描述

（2）定时器3复用功能重映像

在这里插入图片描述

（3） 定时器2复用功能重映像

在这里插入图片描述

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：
在这里插入图片描述
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：

在这里插入图片描述
本文代码开源地址：
https://gitee.com/xundh/stm32_arm_learn

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