嵌入式——PWM

本文主要介绍了什么是PWM，PWM的基本结构，PWM波的生成过程，如何用代码生成PWM波以及通过示波器观察生成的PWM波形。

前期准备：32芯片、示波器。

一、PWM的概念

1.引言

关于PWM，常听到的有“用示波器抓PWM波啊”“PWM的占空比”……这些都是啥，我很好奇，所以我去学习了PWM波，知道了什么是占空比、频率是什么、怎样用PWM实现呼吸灯、为啥提及PWM就会提到定时器……

2.PWM的概念

PWM：Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。如下图所示三种信号，皆为脉冲信号，脉冲是指电子技术中经常运用的一种像脉搏似的短暂起伏的电冲击（电压或电流）信号。PWM脉冲宽度调制是一种调制技术，用于控制输出（模拟）信号的平均值。如下图所示，在PWM中，信号由一系列固定周期的脉冲组成。脉冲的宽度表示信号的高电平时间，而周期表示脉冲的重复时间。通过改变脉冲的宽度与周期之间的比例，即占空比（占空比：高电平在一个脉冲周期之内所占的时间比），即改变高电平时间，可以模拟出不同的电压或功率级别，即控制信号的平均电压或功率。

3.PWM基本结构

要想通过单片机输出一个PWM波形需要两部分动作，如图上蓝框所示，一是时基单元，即TIM定时器，用于生成PWM信号，即计数和重装载，它只能发送PWM信号，并不能生成PWM波；二是输出比较单元GPIO端口，用于接收PWM信号，并通过GPIO口输出相应的高低电平信号，即PWM波。简单介绍一下大概过程：

1.首先选择可用于生成PWM的定时器，一般选择通用定时器，并配置好定时器的时钟频率CK_PSC。定时器的时钟频率来源有内部时钟模式、外部时钟模式2、外部时钟模式1和编码器模式，一般选择RCC内部时钟生成（其他用得较少，可自行CSDN），RCC内部时钟取决于定时器TIM挂载的总线的时钟频率，可通过时钟树查询（详情见嵌入式——时钟一文），一般为72MHz。

2.确定CK_PSC后，由PWM的频率计算公式，根据需要生成的PWM波的频率确定预分频值PSC和自动重装值ARR。预分频器PSC即对定时器的时钟频率进行分频，得到较小的所需的频率；自动重装器ARR即用于设置PWM波的周期，综合可得单个PWM波的频率/周期。

PWM的频率计算公式：Frequence=CK_PSC/(PSC+1)/(ARR+1)。

3.确定PSC和ARR后即确定了PWM波的周期，CNT为定时器自动计数值，它是自动增加的，当CNT增加到ARR即计数一个周期后会清零重新计数。同时，CNT会传递给输出比较单元与CCR进行比较确定输出高电平或低电平。

4.CCR捕获/比较器，CCR的值是自己确定的，它主要用于与计数值CNT作比较，当CNT<CCR时，输出高电平；当CNT≥CCR时，输出低电平（PWM模式1如此），此时即可得到PWM信号。所以，CCR是控制输出高电平值的参数，当CCR较大，则高电平占整个PWM周期的时间则较多，也就是占空比越大。故CCR决定了PWM波的占空比。

5.得到PWM信号后，由输出比较单元通道传递给GPIO端口，进而输出PWM波，用示波器即可看到生成的PWM波形。一个定时器有4个输出比较单元。

二、PWM实操

利用单片机生成PWM波的步骤如下：

定时器时钟源选择，RCC开启时钟(TIM外设、GPIO外设)。

配置GPIO（把定时器PWM通道对应的GPIO口初始化为复用推挽输出）。

配置时基单元（PSC和ARR的值）。

配置输出比较单元（CCR的值、输出比较模式、极性选择、输出使能）。

运行控制，启动计数器。

通过示波器连接GPIO口观察PWM波形（可选）。

以下代码均来自于国民N32G455芯片官方例程!不同芯片函数名可能会不同，但大抵是相似的。

1.选择定时器时钟源，开启TIM和GPIO的RCC时钟。

void RCC_Configuration(void) { 
    /* TIM3 clock enable */ 
    RCC_EnableAPB1PeriphClk(RCC_APB1_PERIPH_TIM3, ENABLE); 

    /* GPIOA and GPIOB clock enable */ 
    RCC_EnableAPB2PeriphClk( RCC_APB2_PERIPH_GPIOA | RCC_APB2_PERIPH_GPIOB | RCC_APB2_PERIPH_GPIOC | RCC_APB2_PERIPH_AFIO, ENABLE); 
}

选择定时器3（TIM3）作为PWM波生成的时钟源，时钟频率为72MHz，开启TIM3和GPIO所挂载的总线的RCC时钟，TIM3挂载在APB1，GPIO挂载在APB2。

2.配置GPIO（把定时器PWM通道对应的GPIO口初始化为复用推挽输出）。

void GPIO_Configuration(void) { 
    GPIO_InitType GPIO_InitStructure; 
    /* GPIOA Configuration:TIM3 Channel1, 2, 3 and 4 as alternate function push-pull */ 
    GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; 
    GPIO_InitPeripheral(GPIOA, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1; 
    GPIO_InitPeripheral(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
 }

TIM3所对应的4路PWM输出通道为CH1（PA6）、CH2（PA7）、CH3（PB0）、CH4（PB1），这四个GPIO口均配置为复用推挽输出模式。

3.配置时基单元（PSC和ARR的值）

/* Compute the prescaler value */ 
PrescalerValue = (uint16_t)(SystemCoreClock / 24000000) - 1; //5 
/* Time base configuration */ 
TIM_TimeBaseStructure.Period = 665; //ARR 
TIM_TimeBaseStructure.Prescaler = PrescalerValue; //PSC 
TIM_TimeBaseStructure.ClkDiv = 0; 
TIM_TimeBaseStructure.CntMode = TIM_CNT_MODE_UP;//向上计数 
TIM_InitTimeBase(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

PrescalerValue预分频值即为PSC，Period周期即为ARR，定时器计数模式为向上计数。

4.配置输出比较单元（CCR的值、输出比较模式、极性选择、输出使能）

/* PWM1 Mode configuration: Channel1 */ 
TIM_OCInitStructure.OcMode = TIM_OCMODE_PWM1; 
TIM_OCInitStructure.OutputState = TIM_OUTPUT_STATE_ENABLE; 
TIM_OCInitStructure.Pulse = CCR1_Val; //CCR1 
TIM_OCInitStructure.OcPolarity = TIM_OC_POLARITY_HIGH;
TIM_InitOc1(TIM3, &TIM_OCInitStructure); 
TIM_ConfigOc1Preload(TIM3, TIM_OC_PRE_LOAD_ENABLE); 
/* PWM1 Mode configuration: Channel2 */ 
TIM_OCInitStructure.OutputState = TIM_OUTPUT_STATE_ENABLE; 
TIM_OCInitStructure.Pulse = CCR2_Val; //CCR2 
TIM_InitOc2(TIM3, &TIM_OCInitStructure); 
TIM_ConfigOc2Preload(TIM3, TIM_OC_PRE_LOAD_ENABLE); 
/* PWM1 Mode configuration: Channel3 */ 
TIM_OCInitStructure.OutputState = TIM_OUTPUT_STATE_ENABLE; 
TIM_OCInitStructure.Pulse = CCR3_Val; //CCR3 
TIM_InitOc3(TIM3, &TIM_OCInitStructure); 
TIM_ConfigOc3Preload(TIM3, TIM_OC_PRE_LOAD_ENABLE); 
/* PWM1 Mode configuration: Channel4 */ 
TIM_OCInitStructure.OutputState = TIM_OUTPUT_STATE_ENABLE; 
TIM_OCInitStructure.Pulse = CCR4_Val; //CCR4 
TIM_InitOc4(TIM3, &TIM_OCInitStructure); 
TIM_ConfigOc4Preload(TIM3, TIM_OC_PRE_LOAD_ENABLE); 
TIM_ConfigArPreload(TIM3, ENABLE);

CCR1、CCR2、CCR3、CCR4为定时器四个PWM输出通道的占空比。

5.运行控制，启动计数器

void TIM_Enable(TIM_Module* TIMx, FunctionalState Cmd) { 
    /* Check the parameters */ 
    assert_param(IsTimAllModule(TIMx)); 
    assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(Cmd)); 
    if (Cmd != DISABLE) { 
        /* Enable the TIM Counter */ 
        TIMx->CTRL1 |= TIM_CTRL1_CNTEN; } 
    else { 
        /* Disable the TIM Counter */ 
        TIMx->CTRL1 &= (uint32_t)(~((uint32_t)TIM_CTRL1_CNTEN)); }
 }

通过示波器连接GPIO口观察PWM波形（可选）

由上图可知，

PWM波的频率为18.0184KHz。（Frequence=f=CK_PSC/(PSC+1)/(ARR+1)=72MHz/6/666=18.0180KHz）

PWM波的周期为55.50μs。（T=1/f=1/18018=55.5μs）

通道一（CH1）PWM波的占空比为50%。（333/665≈50%）

通道二（CH2）PWM波的占空比为37.38%。（249/665≈37.38%）

通道三（CH3）PWM波的占空比为24.91%。（166/665≈24.91%）

通道四（CH4）PWM波的占空比为12.44%。（83/665≈12.44%）

以上内容仅为个人学习分享，若有错误，敬请指正。

标签：TIM3,定时器,嵌入式,TIM,GPIO,PWM,时钟
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