一、定时器PWM功能简介
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定时器,顾名思义,就是定时的功能,定时器在单片机中算是除GPIO外最基本的外设。在ST中,定时器分为几种,基础定时器,通用定时器,高级定时器和低功耗定时器。其中定时器除了用作定时外,还可以用作输入捕获、比较输出、PWM输出等功能。本文重点介绍PWM输出的功能配置。
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脉宽调制(Pulse Width Modulation),简称PWM或P波,其实就是输出像方波一样的波型。其中PWM有几个比较重要的参数:频率(周期)、占空比、幅值。
- 基础定时器只有最简单的定时功能,而本文使用的PWM,基础定时器是无法满足的,只有通用定时器、高级定时器具备PWM功能,通用定时器结构框图如下所示:
- 这个框图比基础定时器要复杂一些,我们把它拆成四部分,基础定时、触发源、输入部分和输出部分。虽然框图这么划分,但实现基础定时、输入和输出的预分频、重装载值、计数值这部分是重叠的。输入和输出更是共用了捕获/比较的寄存器。
- 基础定时:这一块跟之前基础定时器的配置方式是一样的,可以参考那一篇文章STM32CubeMX-基础定时器配置。
- 触发源:用于触发启动定时器的功能。
- 输入部分:可用来配置输入捕获的功能,一般用作频率检测、电平翻转触发等。本文重点为PWM,所以输入部分在其他文章里再详细说明。
- 输出部分:可用来配置比较输出和PWM输出。
- 基础定时器只有最简单的定时功能,而本文使用的PWM,基础定时器是无法满足的,只有通用定时器、高级定时器具备PWM功能,通用定时器结构框图如下所示:
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PWM相关的配置项
- PSC prescaler(预分频):用于将定时器的输入时钟分频使用,比如单片机当前芯片主频为48M,给到定时器的时钟也为48M,但由于功耗或实际应用场景等原因,并不需要定时器以这么高频率进行计数,那就可以使用预分频将频率降低。比如来个48分频,那实际定时器计数频率就是1MHz。需要注意的是,这个寄存器默认值为0,即一分频,所以想要设置48分频,应该设置寄存器的值为47,即设置值=预分频系数-1。
- CNT counter(计数值):这个就是定时器工作时的计数值,当定时器启动时,该寄存器每隔一个时钟周期会往上加1,直到计数值溢出(16位的定时器上溢值就是2的16次方,即65535)或在开启自动重装载功能时达到重装载值,则清0。
- Auto-reload register(重装载值):在开启了自动重装载功能后,当CNT计数值大于该设定值时,CNT计数值会自动清0重新计数。所以重装载值的设定值,一般也是需要设置目标值-1,也就是如果想要计10个数,那只要设置9即可。
- Capture/Compare x register(x通道的捕获/比较寄存器):当定时器某一通道配置为PWM功能时,该通道的此寄存器则作为比较寄存器。当CNT计数值大于该寄存器值时,输出电平翻转。
- Output control(输出控制器):这个用来总体控制输出的开关。
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预分频系数和重装载值这两个就决定了PWM的频率。具体计算公式:PWM频率 = (系统时钟频率 / 预分频系数) / 重装载值
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比较值和重装载值这两个就决定了PWM的占空比。具体计算公式:PWM占空比 = 比较值 / 重装载值
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如下图所示:这个定时器是有4个独立通道的(TIMx_CH1~4),但4个通道共享一个分频系数和重装载值。所以当使用同一个定时器输出多个PWM通道时,其频率是共享的,只有占空比可以独立设置。如果真的需要不同通道设置不同的频率,那只能选择使用不同的定时器。
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看下高级定时器,也有PWM的功能,甚至比通用定时器的PWM功能更丰富。从系统框图上最直观可以看到就是多了一路BKIN,一般是用在电机控制上紧急关闭输出的。
另外需要注意的是:高级定时器一般用在电机控制上,电机控制一般是需要 2~3 路 PWM 按一定的时序输出,所以使用PWM时,高级定时器比通用定时器需要多开一个总输出的寄存器。
二、定时器配置
- 这里我们实现一个呼吸灯。首先呼吸灯就是让LED的亮度从灭到亮无级过度,看起来就像是人呼吸一样顺畅。那怎么做到让LED亮度无级调节呢?最直接的方法就是调节控制LED灯的电压,前面知道了点亮一个LED灯是需要给一个3.3V的电压值,那如果我们给一个2V的电压值,那LED灯的亮度是不是就会比原本3.3V暗一些。但怎么调节给定的电压值呢?这里可以用PWM技术来处理。幅值为3.3V,占空比为50%的PWM,其平均电压为3.3*50%=1.65V。这里还有个问题,就是PWM的频率应该设置多少?这里只需要设置一个人眼看不出灯闪的频率即可,先初定一个2kHz。知道原理后,就可以开始对PWM进行设置了。
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首先选择需要控制的IO口(需要确定该IO口是否具备定时器通道输出的功能),这里我们用的是开发板的PA5口,也就是LED灯的那个端口,选择TIM2_CH1。然后在左边的菜单框中选择Timers->TIM2,在弹出的菜单栏中,找到Clock Source,配置成Internal Clock,即使用内部时间作为时钟源。再配置Channel1为PWM Generation CH1,即PWM功能。
- Slave Mode(从机模式):可以在多种模式下与外部触发器同步,可配置为
- 重置模式:输入出现上升沿时复位定时器计数并更新寄存器值
- 门控模式:输入高电平时启动计数,输入低电平时停止计数,不重置寄存器
- 触发模式:输入出现上升沿时启动计数,不能控制停止
- Trigger Source(触发源):就上面框图里可用的ITR0~4等触发源,用来触发定时器工作,如果由软件启动,则不需要配置此项。
- Clock Source(时钟源):一般使用内部时钟源即可。
- Channel x(第x通道):可以配置每个通道的功能,比如PWM输出,比较输出,输入捕获等,当配置为PWM或比较输出时,还可以选配是否从端口输出,选择不输出的场景一般是把定时器仅用作计数器,当计数值达到某个设定阀值时,触发一个中断。
- One Pulse Mode(单脉冲模式):启用该功能时,当定时器计数值达到重装载值时停止计数。
- Slave Mode(从机模式):可以在多种模式下与外部触发器同步,可配置为
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接下来配置PWM的相关参数
- Prescaler(预分频):用于将定时器的输入时钟分频使用,比如单片机当前芯片主频为48M,给到定时器的时钟也为48M,但由于功耗或实际应用场景等原因,并不需要定时器以这么高频率进行计数,那就可以使用预分频将频率降低。比如来个48分频,那实际定时器计数频率就是1MHz。需要注意的是,这个寄存器默认值为0,即一分频,所以想要设置48分频,应该设置寄存器的值为47,即设置值=预分频系数-1。
- Counter Mode(计数类型):可配置为向上计数和向下计数两种模式,向上计数则是定时器的计数正常向上累加,达到溢出值后清0,向下计数则是定时器的计数向下递减,减至0时将计数值恢复至最大值。
- Counter Period(重装载值-32位):在开启了自动重装载功能后,当CNT计数值大于该设定值时,CNT计数值会自动清0重新计数。所以重装载值的设定值,一般也是需要设置目标值-1,也就是如果想要计10个数,那只要设置9即可。
- Internal Clock Division(内部时钟分频):用于对内部时钟进行分频,可以配置为不分频、二分频和四分频。
- auto-reload preload(自动重装载):开启自动重装载功能后,如果配置的计数类型是向上计数时,当计数值大于重装载值时,定时器会自动将计数值清0重新开始计数;如果配置的计数类型是向下计数,则当计数值为0时,定时器自动将计数值设置为重装载值。这里开启即可。因为我们现在要实现的功能是呼吸灯,所以需要输出的PWM占空比是需要实时改变的,因此这里Pulse可配可不配,具体数值在代码里体现。
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最后,配置PWM模式下PWM Generation Channel x的相关配置
- Mode(PWM的模式):有两种模式,分别是PWM1和PWM2
- 设置为PWM1时,如果设置为向上计数,则当计数值 < 比较值时,输出低电平;如果设置为向下计数,则当计数值 > 比较值时,输出低电平。
- PWM2则与之相反。
- Pulse(输出比较值):当计数值超过该设定值时,电平翻转,所以PWM的占空比即由该寄存器值 / 重装载值可得。
- Output compare preload(输出比较值预加载):当使能此功能时,设置Pulse输出比较值时,该值不会立即生效,而是会等到当前PWM完成一个周期的输出后才把当前值设置至Pulse输出比较值的寄存器中。这样可以实现设置的平滑切换。不使能则是立即生效。这里建议使能该功能。
- Fast Mode(快速模式):当需要输出高速PWM时则选配此功能。
- CH Polarity(通道极性):用来配置PWM输出的初始电平极性,当配置为High(高)时,默认为高电平;配置为low(低)时,则默认为低电平。
- Mode(PWM的模式):有两种模式,分别是PWM1和PWM2
三、代码实现
因为CubeMX已经配置好了PWM的频率,生成工程后,只需要调用启动PWM的接口即可。而要实现呼吸灯的效果,则需要循环修改定时器的比较值,也就是让PWM输出的占空比从0%到100%,再从100%到0%。每次设置时需要增加一个延时,防止呼吸过于急促。
HAL库代码实现
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
uint32_t duty = 0;
uint32_t pre_d = 0; //保存当前定时器重装载值
uint32_t comp_d = 0; //保存当前定时器比较值
uint8_t dir = 0; //占空比增减方向标识
/* USER CODE END 1 */
/*----------------------- MCU Configuration-----------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_TIM2_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
/* 开启定时器 */
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
/* 获取当前定时器重装载值 */
pre_d = __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim2);
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
/* 占空比由0%到100%,再从100%到0%循环 */
if (dir == 0) {
duty++;
}else {
duty--;
}
if (duty = 100) {
dir = 1;
}else if (duty == 0){
dir = 0;
}
/* 延个时,防止呼吸过快 */
HAL_Delay(10);
/* 根据占空比计算比较值 */
comp_d = pre_d * (duty / 100);
/* 设置比较值 */
if (__HAL_TIM_GET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1) != comp_d){
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, comp_d);
}
}
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
/* USER CODE END 3 */
}
LL库代码实现
- 同样的,仿照HAL库的实现方式,调用相应的LL库接口。首先是初始化部分,HAL库简化后核心逻辑如下,其实就只是使能当前通道后打开定时器而已,中间使能总输出只在高级定时器中才需要。
- 其他接口在LL库均能找到对应的接口,这里就直接上代码了。当然,使用LL库的时候,还是记得需要把生成代码库切成LL库。
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
uint32_t duty = 0;
uint32_t pre_d, comp_d = 0;
uint8_t dir = 0;
/* USER CODE END 1 */
/* ------------------------------MCU Configuration--------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
LL_APB1_GRP2_EnableClock(LL_APB1_GRP2_PERIPH_SYSCFG);
LL_APB1_GRP1_EnableClock(LL_APB1_GRP1_PERIPH_PWR);
/* SysTick_IRQn interrupt configuration */
NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 3);
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_TIM2_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
/* 使能通道 */
LL_TIM_CC_EnableChannel(TIM2, LL_TIM_CHANNEL_CH1);
/* 使能总输出 */
LL_TIM_EnableAllOutputs(TIM2);
/* 使能定时器 */
LL_TIM_EnableCounter(TIM2);
/* 获取当前定时器重装载值 */
pre_d = LL_TIM_GetAutoReload(TIM2);
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
/* 占空比由0~100再从100到0循环,单位% */
if (dir == 0){
duty++;
} else {
duty--;
}
if (duty >= 100){
dir = 1;
} else if (duty == 0){
dir = 0;
}
/* 根据占空比计算比较值 */
comp_d = pre_d * duty / 100;
/* 延个时,防止呼吸过快 */
LL_mDelay(10);
/* 设置比较值 */
if (LL_TIM_OC_GetCompareCH1(TIM2) != comp_d){
LL_TIM_OC_SetCompareCH1(TIM2, comp_d);
}
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
效果演示
烧录软件至开发板中,可以看到呼吸灯的效果。
三、注意事项
- 留意预分频系数和重装载值设置的时候都是要减1处理,也就是想要2分频,PSC需要设置为1,想要计数10次复位,则需要给重装载值设置9。
- 配置完生成的工程,并不会在初始化的时候就给打开计数,需要在使用过程中自行调用相关接口函数打开。
- 高级定时器实现PWM功能,会多一个总输出的控制,否则端口不会输出PWM。
看到呼吸灯的效果。
[外链图片转存中…(img-bLqNB56o-1748269147102)]
三、注意事项
- 留意预分频系数和重装载值设置的时候都是要减1处理,也就是想要2分频,PSC需要设置为1,想要计数10次复位,则需要给重装载值设置9。
- 配置完生成的工程,并不会在初始化的时候就给打开计数,需要在使用过程中自行调用相关接口函数打开。
- 高级定时器实现PWM功能,会多一个总输出的控制,否则端口不会输出PWM。
- 同个定时器的不同通道只能是相同的频率,需要输出不同频率的PWM波,需要使用不同的定时器。
【文章参考】https://baijiahao.baidu.com/s?id=1827395717468433105