实现 STM32 PWM 输出：原理、配置与应用详解
在嵌入式开发领域，STM32 微控制器凭借其强大的功能和丰富的外设资源，被广泛应用。PWM（脉冲宽度调制）作为 STM32 的重要功能之一，对于电机调速、LED 调光、信号合成等场景不可或缺。本文深入解析 STM32 的 PWM 协议，从原理到代码实现，再到实际应用，助你全面掌握这一关键技术。
一、PWM 基础原理
PWM 信号是一种脉冲信号，其频率保持恒定，但脉冲的宽度（即高电平持续时间）可变。它通过周期（T）和占空比（D）两个关键参数来定义。周期是 PWM 信号重复一次所需的时间，而占空比则是高电平时间（ton）与周期的比率，用百分比表示。计算公式为：D = ton / T × 100%。
例如，在电机调速中，较高的占空比意味着电机获得的平均电压更大，从而转速更快。通过精准控制 PWM 信号的占空比，可以实现对各种设备的精细调节。
二、STM32 的 PWM 硬件基础
STM32 内置定时器是实现 PWM 功能的核心硬件。定时器在 PWM 模式下，会产生周期性和宽度可调的脉冲信号。它通过自动重装载寄存器（ARR）设定 PWM 周期，利用捕获比较寄存器（CCR）确定脉冲宽度。
不同系列的 STM32 微控制器配备多种定时器，通用定时器（如 TIM2 - TIM5）和高级定时器（如 TIM1）都支持 PWM 输出，且具有不同的通道数量和特性，为开发者提供了灵活的硬件选择。
三、STM32 PWM 配置步骤
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开启时钟与 GPIO 配置
- 首先，要通过调用
__HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE()函数开启对应 GPIO 端口的时钟，确保 GPIO 能正常工作。例如，若使用 PB0 引脚输出 PWM 信号，则开启 GPIOB 时钟。 - 接着，使用
HAL_GPIO_Init()函数配置 GPIO 引脚为复用推挽输出模式（GPIO_MODE_AF_PP），以便将定时器的 PWM 信号输出到该引脚。
- 首先，要通过调用
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定时器初始化
- 调用
HAL_TIM_PWM_Init()函数对定时器进行初始化。需设置定时器的时钟频率、计数周期（自动重装载寄存器 ARR 的值）等参数。例如，设定 ARR 为 999，则在定时器时钟频率为 10 kHz 时，PWM 周期为 100 ms（10000 Hz / (999 + 1)）。
- 调用
-
PWM 通道配置
- 使用
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel()函数配置定时器的 PWM 通道。指定通道号（如 TIM_CHANNEL_1）、脉冲宽度（捕获比较寄存器 CCR 的初始值）、极性（正极性或负极性）等参数。例如，设置 CCR 为 500，占空比即为 50%（500 / (999 + 1) × 100%）。
- 使用
-
启动 PWM 输出
- 最后，调用
HAL_TIM_PWM_Start()函数启动指定通道的 PWM 输出，使能定时器的 PWM 信号产生与引脚输出。
- 最后，调用
四、示例代码与解析
#include "stm32f1xx_hal.h"
TIM_HandleTypeDef htim2;
void TIM2_PWM_Init(void)
{
// 定时器时钟配置
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
// GPIO 配置
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// 定时器初始化
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 999; // 预分频器设置，定时器时钟频率为 10 kHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 999; // 自动重装载寄存器值，PWM 周期为 100 ms
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);
// PWM 通道配置
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 500; // 初始脉冲宽度，占空比 50%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
// 启动 PWM 输出
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
TIM2_PWM_Init();
while (1)
{
// 可在此添加其他功能代码
}
}
在示例代码中，我们首先配置了 GPIOA 的 PA0 引脚为复用推挽输出模式，用于输出 PWM 信号。然后初始化 TIM2 定时器，设置其预分频器和自动重装载寄存器值，确定 PWM 的周期和频率。接着配置 TIM_CHANNEL_1 通道的 PWM 参数，包括模式、脉冲宽度和极性等。最后启动该通道的 PWM 输出，使能定时器产生 PWM 信号。
五、常见应用场景
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电机调速
- 通过改变 PWM 的占空比，调节电机两端的平均电压，从而实现对电机转速的控制。例如，在直流电机驱动电路中，将 PWM 信号作用于电机驱动芯片的使能端，占空比越大，电机转速越快。
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LED 调光
- 利用 PWM 信号驱动 LED，人眼对 LED 的亮度感知与 PWM 占空比相关。高占空比使 LED 更亮，低占空比则使 LED 变暗，实现平滑的亮度调节。
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信号合成与模拟
- PWM 信号经低通滤波器后，可生成近似直流或正弦信号，用于音频信号合成、模拟电压源等场景。
六、注意事项与调试技巧
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时钟配置
- 确保定时器的时钟频率配置正确，因为它直接影响 PWM 的频率。若时钟频率设置不当，可能无法获得预期的 PWM 周期。
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占空比计算精度
- 在计算占空比时，要准确考虑自动重装载寄存器（ARR）的值，避免因整数运算误差导致占空比不准确。
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调试工具使用
- 使用示波器观察 PWM 信号的波形，直观地检查其频率、占空比是否符合预期。同时，可通过修改代码中的 CCR 值，实时观察 PWM 信号的变化，快速定位问题。
掌握 STM32 的 PWM 协议与应用，能为你在嵌入式项目开发中带来更多可能性，无论是简单的 LED 控制还是复杂的电机驱动系统，都能得心应手。不断实践与探索，你将能挖掘出 STM32 PWM 更多的潜力，创造出更具创新性的应用。
