STM32 PWM驱动设计

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前言

        PWM本质是利用面积等效原理来改变波形的有效值。

一、PWM驱动配置步骤

第一步、RCC开启时钟，将需要的TIM外设和GPIO外设的时钟打开。

第二步、配置时基单元，包括时钟源选择的配置。

第三步、配置输出比较单元，包括CCR的值、输出比较模式、极性选择、输出使能这些参数。（在库函数中也是用结构体统一来配置）。

第四步、配置GPIO，把PWM对应的GPIO口初始化为复用推挽输出的配置。

第五步、运行控制，启动计数器就可以输出PWM了。

二、代码示例及注意事项

2.1 RCC开启时钟

        将需要的TIM外设和GPIO外设的时钟打开。打开时钟后定时器的基准时钟和整个外设的工作时钟就会同时打开。

代码示例：

	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);//使用APB1的开启时钟函数，因为TIM2是APB1总线的外设。RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

2.2 配置时基单元

        配置时基单元，包括时钟源选择的配置。

1. 时基单元的选择时钟源。对于定时中断可选择内部时钟源。
2. 配置时基单元，包括预分频器、自动重装器、计数模式等，这些参数可用结构体配置。

代码示例：

	TIM_InternalClockConfig(TIM2);TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision= TIM_CKD_DIV1;//指定时钟分频TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode= TIM_CounterMode_Up;//计数器模式TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period= 100-1;//ARR自动重装器的值TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler= 720-1;//PSC预分频器的值TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter= 0;//重复计数器的值TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseInitStructure);

结构体成员：

• TIM_ClockDivision：指定时钟分频，用于信号经过滤波器时的滤波采样频率。
• TIM_CounterMode：计数器模式，这里选择向上计数模式TIM_CounterMode_Up。
• TIM_Period ：ARR自动重装器的值。
• TIM_Prescaler：PSC预分频器的值。
• TIM_RepetitionCounter：重复计数器的值，只有高级定时器才有，本文初始化通用寄存器，所以值给0。

        时基单元中关键寄存器参数ARR、PSC都有设置，但是这里没有CNT计数器的参数，CNT参数的配置可根据需要在函数 TIM_SetCounter 和函数 TIM_GetCounter 中操作。

        决定定时时间的参数是 TIM_Period 和 TIM_Prescaler 。定时时间可用计数器溢出频率公式计算，定时频率=72M/(PSC+1)/(ARR+1)。

2.3 配置输出比较单元

        配置输出比较单元，包括CCR的值、输出比较模式、极性选择、输出使能这些参数。（在库函数中也是用结构体统一来配置）。

void TIM_OC1Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);
void TIM_OC2Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);
void TIM_OC3Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);
void TIM_OC4Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);

        这里4个初始化函数对应4个输出比较通道（单元），不同的通道对应的GPIO口也不一样，函数的选择需要根据GPIO口的配置选择。代码示例中使用PA0口，对应第一个输出比较通道，选择TIM_OC1Init函数。

代码示例：

	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructture;TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructture);TIM_OCInitStructture.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1; //设置输出比较的模式。TIM_OCInitStructture.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High; //设置输出比较的极性TIM_OCInitStructture.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable; //设置输出使能TIM_OCInitStructture.TIM_Pulse=50; //设置CCRTIM_OC1Init(TIM2,&TIM_OCInitStructture);   

        代码示例中的程序并没有给结构体的所有成员赋值，而是用TIM_OCStructInit函数先给结构体成员赋一个初始值，再修改部分的结构体成员。这个结构体变量是局部变量，若不给成员赋初始值，它成员的值就是不确定的，这会导致一些问题。比如当你想把高级定时器当作通用定时器输出PWM时，只配置了通用定时器需要的结构体成员，剩下这些没赋值成员就会导致高级定时器输出PWM出现一些奇怪的问题。

        TIM_OCStructInit函数需要把结构体变量的地址传进去，才能给结构体赋初始值。

1. TIM_OCMode设置输出比较的模式。

        TIM_OCMode输出比较模式参数对应含义：

• TIM_OCMode_Timing 冻结模式                
• TIM_OCMode_Active 相等时置有效电平                 
• TIM_OCMode_Inactive 相等时置无效电平               
• TIM_OCMode_Toggle 相等时电平翻转                 
• TIM_OCMode_PWM1 PWM模式1                   
• TIM_OCMode_PWM2 PWM模式2                   
• TIM_ForcedAction_Active 强制输出有效电平
• TIM_ForcedAction_InActive 强制输出无效电平

        注：强制输出两种模式的参数不可以在初始化时使用

2. TIM_OCPolarity设置输出比较的极性。

• TIM_OCPolarity_High 高级性，是极性不翻转，REF波形直接输出。意思是有效电平是高电平，REF有效时，输出高电平。
• TIM_OCPolarity_Low  低级性，REF电平取反，意思是有效电平为低电平。

3. TIM_OutputState设置输出使能。

4.TIM_Pulse置CCR。 ARR,PSC,CCR共同决定PWM的周期和占空比
 

        以上配置已经把输出比较通道初始化好了，在TIM2的OC1通道上就可以输出PWM波形了，最终这个波形需要通过GPIO口才可以输出。那TIM2的OC1通道是借用哪个GPIO口呢？下文来选择并配置GPIO。

注：TIM_OC1Init是通道1的初始化函数，若通道1、2、3、4都需要的话可以直接在后面加TIM_OC2Init、TIM_OC3Init、TIM_OC4Init，这样就可以同时使用4个通道来输出4个PWM了。

代码示例：

	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructture;TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructture);TIM_OCInitStructture.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1; //设置输出比较的模式。TIM_OCInitStructture.TIM_OCPolarity=TIM_OCPolarity_High; //设置输出比较的极性TIM_OCInitStructture.TIM_OutputState=TIM_OutputState_Enable; //设置输出使能TIM_OCInitStructture.TIM_Pulse=50; //设置CCRTIM_OC1Init(TIM2,&TIM_OCInitStructture);TIM_OC2Init(TIM2,&TIM_OCInitStructture);TIM_OC3Init(TIM2,&TIM_OCInitStructture);TIM_OC4Init(TIM2,&TIM_OCInitStructture);   

        同一个定时器的不同通道输出的PWM，因为不同通道是共用一个计数器的，所以它们的频率必须是一样的；它们的占空比由各自的CCR决定，所以占空比可以各自设定；他们的相位由于计数器更新，所有PWM同时跳变，所以它们的相位是同步的。

        这就是同一个定时器不同通道输出PWM的特点。如果使用多个设备如电机或者舵机，那使用同一个定时器不同通道的PWM就完全可以。

2.4 配置GPIO

        输出比较通道借用GPIO口可以在引脚定义表中查看：

        默认复用功能这一列就是片上外设的端口和GPIO的连接关系。可以找到 TIM2_CH1_ETR 在 PA0 这一行，这说明 TIM2 的 ETR 引脚和通道1的引脚都是借用了 PA0 这个引脚位置，就是TIM2的引脚复用在了PA0引脚上。所以使用TIM2的OC1通道也就是CH1通道输出PWM，就只能在PA0引脚上输出，而不能任意选择引脚输出。

同理：

• 使用TIM2_CH2只能在PA1端口输出
• 使用TIM2_CH3只能在PA2端口输出
• 使用TIM2_CH4只能在PA3端口输出

表中其他外设也是同理：如使用SPI1_MISO只能在PA6端口输出。虽然引脚与外设都是规定好的，但是还可以根据情况做一次改动。在引脚定义表重定义（重映射）这一列，还可以对应更改。如既要使用 USART2_TX 引脚又要使用 TIM2_CH3 通道，但是它俩都在PA2端口输出，这就冲突了没法同时使用。这时可以在重定义列表里找一下，有 TIM2_CH3 ，那么 TIM2_CH3 就可以从PA2端口输出换为从PB10端口输出。这样就避免了两个外设引脚的冲突。但是如果重映射的列表里找不到，那外设复用的GPIO就不能挪位置。配置重映射需要用AFIO来完成。

        配置GPIO，把PWM对应的GPIO口初始化为复用推挽输出的配置。

代码示例：

	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode= GPIO_Mode_AF_PP;//这里选择复用推挽输出。GPIO_InitStruct.GPIO_Pin= GPIO_Pin_0;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed= GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);

        这里选择复用推挽输出。
        原因：对于普通的开漏/推挽输出，引脚的控制权是来自于输出数据寄存器的，定时器控制引脚需要使用复用开漏/推挽输出的模式，复用开漏/推挽输出模式中输出数据寄存器将被断开，输出控制权将转移给片上外设，通过引脚定义表可知，这里片上外设引脚连接的就是TIM2的CH1通道。所以只有把GPIO设置为复用推挽输出，引脚的控制权才能交给片上外设，PWM波形才能通过引脚输出。
  

2.5 运行控制

        运行控制：整个模块配置完成后，还需要使能一下计数器，PWM波形就能通过PA0输出了。

代码示例：

    TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);

三、PWM周期和占空比计算

计算公式：

• PWM频率：    Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)      PWM频率等于计数器更新频率。
• PWM占空比：    Duty = CCR / (ARR + 1)
• PWM分辨率：    Reso = 1 / (ARR + 1)

        ARR、PSC、CCR共同决定PWM的周期和占空比

代码示例中产生的是一个频率为1KHHz，占空比为50%，分辨率为1%的PWM波形。

代入公式：

• 72M/(PSC+1)/(ARR+1)=1000
• CCR/(ARR+1)=50%
• 1/(ARR+1)=1%

得出：

• (ARR+1)=100
• CCR=50
• (PSC+1)=720

对应代码中：

• ARR 给 100-1；
• PSC 给 720-1；
• CCR 给 50。

        代码运行时，PWM占空比也可更改，可选择使用TIM_SetCompare1、TIM_SetCompare2、TIM_SetCompare3、TIM_SetCompare4 函数改变CCR寄存器的值来调节PWM占空比。但是PWM的占空比是由ARR、PSC、CCR共同决定。

总结

        以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了PWM驱动配置。