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[嵌入式]STM32输出PWM完成呼吸灯

一.PWM介绍

1.定义

??PWM（Pulse Width Modulation）即脉冲宽度调制，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术；它是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。
基本原理

2.基本原理

??PWM就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也可以这样理解，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。
??该信号在预定义的时间和速度中设置为高（5v或3.3v）和低（0v）。通常，我们将PWM的高电平称为1，低电平为0。

3.优点及应用范围

??由于其控制简单、灵活和动态响应好等优点而成为电力电子技术应用最广泛的控制方式，其应用领域包括测量，通信，功率控制与变换，电动机控制、伺服控制、调光、开关电源，甚至某些音频放大器，因此学习PWM具有十分重要的现实意义。

4.主要参数

PWM占空比：
PWM信号保持高电平的时间百分比称为占空比。如果信号始终为高电平，则它处于100％占空比，如果它始终处于低电平，则占空比为0％。如图1所示，T1为占空比，T为一个PWM周期。
PWM的频率：
PWM信号的频率决定PWM完成一个周期的速度。STM32的MDK编译器可以选择5MHZ,10MHZ,20MHZ和50MHZ。

5.PWM的产生

??STM32的定时器除了TIM6和7，其他的定时器都可以用来产生PWM输出。其中高级定时器TIM1和TIM8可以同时产生多达 7 路的 PWM 输出。而通用定时器也能同时产生多达 4路的 PWM 输出，这样，STM32 最多可以同时产生 30 路 PWM 输出。
??通过STM32控制板，有两种方式能产生PWM，第一是利用普通IO口输出PWM，第二种是利用定时器的PWM的IO口或复用IO口。一般能够输出PWM的端口都会在主要功能那一栏出现CHx的标志，而普通定时器没有出现这种标志。如图所示，上面的红框就是普通的定时器，不是专用的PWM端口

注意：一般而言，尽量选用PWM口进行PWM输出，因为普通IO口模拟PWM的输出频率越高，进入定时器中断的次数就越快，中断间隔的时间越短，如果再有其他类型的中断也要处理时，会因为中断的优先级嵌套等待响应，影响控制精度，PWM输出误差增大，也会影响其他如ADC等中断处理，甚至会较出现单片机逻辑出错，死机或者跑飞的情况。

6.PWM工作原理

??在下图的通用定时器框图中，主要涉及到最顶上的一部分（计数时钟的选择）、中间部分（时基单元）、右下部分（PWM输出）这三个部分。
在这里插入图片描述

在PWM输出模式下，除了CNT（计数器当前值）、ARR（自动重装载值）之外，还多了一个值CCRx（捕获/比较寄存器值）；
当CNT小于CCRx时，TIMx_CHx通道输出低电平；
当CNT等于或大于CCRx时，TIMx_CHx通道输出高电平；
这个时候就可以对其下一个准确的定义了：所谓脉冲宽度调制模式（PWM模式），就是可以产生一个由TIMx_ARR寄存器确定频率，由TIMx_CCRx寄存器确定占空比的信号。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术

7.PWM输出的模式区别

PWM模式1：在向上计数时，一旦TIMx_CNT<TIMx_CCR1时通道1为有效电平，否则为无效电平；在向下计数时，一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1时通道1为无效电平(OC1REF=0)，否则为有效电平(OC1REF=1)

PWM模式2：在向上计数时，一旦TIMx_CNT<TIMx_CCR1时通道1为无效电平，否则为有效电平；在向下计数时，一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1时通道1为有效电平，否则为无效电平
注意：PWM的模式只是区别什么时候是有效电平，但并没有确定是高电平有效还是低电平有效。这需要结合CCER寄存器的CCxP位的值来确定。

例如：若PWM模式1，且CCER寄存器的CCxP位为0，则当TIMx_CNT<TIMx_CCR1时，输出高电平；同样的，若PWM模式1，且CCER寄存器的CCxP位为2，则当TIMx_CNT<TIMx_CCR1时，输出低电平。

8.PWM的计数模式

向上计数模式：
下面是一个PWM模式1的例子。当TIMx_CNT<TIMx_CCRx时PWM信号参考OCxREF为高，否则为低。如果TIMx_CCRx中的比较值大于自动重装载值(TIMx_ARR)，则OCxREF保持为’1’。如果比较值为0，则OCxREF保持为’0’：
在这里插入图片描述
向下计数模式：
在PWM模式1，当TIMx_CNT>TIMx_CCRx时参考信号OCxREF为低，否则为高。如果TIMx_CCRx中的比较值大于TIMx_ARR中的自动重装载值，则OCxREF保持为’1’。该模式下不能产生0％的PWM波形。

中央对齐模式：
当TIMx_CR1寄存器中的CMS位不为’00’时，为中央对齐模式(所有其他的配置对OCxREF/OCx信号都有相同的作用)。根据不同的CMS位设置，比较标志可以在计数器向上计数时被置’1’、在计数器向下计数时被置’1’、或在计数器向上和向下计数时被置’1’。TIMx_CR1寄存器中的计数方向位(DIR)由硬件更新，不要用软件修改它。

9.PWM相关配置寄存器

??包含三个寄存器：捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMR1/2）、捕获/比较使能寄存器（TIMx_CCER）、捕获/比较寄存器（TIMx_CCR1~4）。设置TIMx_CCMRx寄存器OCxPE位以使能相应的预装载寄存器，最后还要设置TIMx_CR1寄存器的ARPE位，(在向上计数或中心对称模式中)使能自动重装载的预装载寄存器。在TIMx_CCMRx寄存器中的OCxM位写入110(PWM模式1)或111(PWM模式2)，能够独立地设置每个OCx输出通道产生一路PWM。

(1) 捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMR1）

作用：在PWM输出模式下，确定PWM的模式、使能相应的预装载寄存器等操作

在这里插入图片描述

(2)捕获/比较使能寄存（TIMx_CCER）

作用：在PWM输出模式下，确定PWM的输出极性和输出使能

(3)捕获/比较寄存器（TIMx_CCR1）

在这里插入图片描述

作用：在PWM输出模式下，确定比较的值

二.工程建立

这里笔者选择采用hal库完成所有实验要求，这样比较简单也易于理解,关于STM32CubeMX软件在笔者之前博客有详细讲述过了。

1.题目要求

??使用TIM3和TIM4，分别输出一个PWM波形，PWM的占空比随时间变化，去驱动你外接的一个LED以及最小开发板上已焊接的LED（固定接在 PC13 GPIO端口），实现2个 LED呼吸灯的效果。

2.工程建立

（1）创建新项目

在STMCubeMX主界面，创建新项目，点击ACCEE TO MCU SELECTOR
在这里插入图片描述

（2）芯片选择

在part name里选择自己的芯片(一般选择直接搜索所需芯片)，本文采用STM32F103C8T6点击信息栏中的具体芯片信息选中，点击start project
在这里插入图片描述

（3）配置RCC

点System Cor，选择RCC，在右侧弹出的菜单栏中选Crystal/Ceramic Resonator
在这里插入图片描述

（4）配置SYS

选择调试接口，点System Cor，选择SYS。，在右侧弹出的菜单栏中选Serial Wire。
在这里插入图片描述

（5）配置定时器3和定时器4

这里我们选择定时器3和定时器4来实现定时的功位置3，分频系数为71，向上计数模式，计数周期为500，使能自动重载模式。通道1选择：PWM Generation CH1（PWM输出通道1）
设置分频系数为71，计数周期为500，其它默认。
设置占空比初始值为10，其实这里不写也没影响。(因为后续我们可以根据代码对其进行修改)
在这里插入图片描述
定时器四我们也选择PWM Generation CH1（PWM输出通道1），计数周期根据自己需要进行设置

（6）时钟配置

如图所示更改配置即可。
在这里插入图片描述

（7）配置项目设置

在这里插入图片描述

（8）生成项目

在这里插入图片描述

三.代码编写

1.设置占空比

打开工程，主要修改main.c文件。首先定义一个变量，用来存储占空比：初值设为10。

uint16_t duty_num3 = 10;
uint16_t duty_num4 = 10;

在这里插入图片描述

2.开启PWM信道

开始TIM3的通道3，输出PWM。
开始TIM4的通道4，输出PWM。

	HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim4,TIM_CHANNEL_1);

在这里插入图片描述

3.调用代码

这里我们设置为每隔50毫秒，占空比加10，如果超过500（也就是PWM周期），自动变成0。（即灯会从亮倒暗，逐渐变化）

  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
 HAL_Delay(50);
		duty_num3 = duty_num3 + 10;
			duty_num4 = duty_num4 + 10;
		if(duty_num3 > 500)
		{
			duty_num3 = 0;
		}
		__HAL_TIM_SetCompare(&htim3,TIM_CHANNEL_1,duty_num3);
			if(duty_num4 > 500)
		{
			duty_num4 = 0;
		}
		__HAL_TIM_SetCompare(&htim4,TIM_CHANNEL_1,duty_num4);
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

在这里插入图片描述

四.硬件连接

1.线路连接

根据查询数据手册可发现定时器3,4的一通道分别对应引脚PA6 PB6,然后题目要求还需要直接驱动PC13(最小开发板上已焊接的LED（固定接在 PC13 GPIO端口）),故而我们将对应PWM波作为输入，连接其对应引脚即可实现所需完成功能。
在这里插入图片描述

3V3 —> 3V3

GND —> GND

RXD —> A9

TXD —> A10

LED灯短脚 —> A6

LED灯长脚 —> 3V3

PB6 —> PC13

2.结果演示

根据我们之前的配置，两个灯应做到完全同步，同时完成由亮到暗的变化过程。具体结果如视频演示。

呼吸灯

五.总结

??笔者通过这次实例演训，学习到了PWM的相关理论知识，并学会了对其的基本应用。在最开始笔者以为一定要PWM输出端才可以亮灯或者对引脚进行复用操作，可再后来查询资料详细了解其原理后，发现直接将PWM作为一端输入即可。通过本次实验笔者明白有些东西要敢于尝试，不要不尝试就急于去否定，要不畏困难，多加思考去推测不要有畏难心理，就如同我们做题明明离答案就差一步但我们会因为感觉不可行或复杂而放弃掉。
??最后笔者还是很高兴能完成此次实验，也会更加努力地去学习拓展相关知识，也希望大家提出意见多加指正，谢谢~

参考

1.STM32CUBEMX_基于PWM的呼吸灯
2.使用STM32输出PWM波形
3.stm32f103呼吸灯（PWM脉冲宽度调制）