2021年08月27日 | STM32F401的PWM输出

PWM的说明

PWM有三个关键指标: PWM频率, 占空比, 区分度

对于同一个时钟频率下工作的单片机, 区分度是和PWM工作频率相关的, 因为总频率是固定的, PWM工作频率越高, 留下给区分度的部分就越低, 因此区分度就越低. 对于STM32, 如果时钟是72MHz, 在PWM频率为1KHz时, 区分度为16bit, 在281KHz时, 为8bit, 在4.5MHz时, 就时4bit了.

STM32F4 Timers

STM32的PWM功能是定时器功能的一部分, STM32F4系列完整的定时器是14个

F401属于低端系列, 定时器只有一部分, 内置的定时器为

• 1个高级定时器TIM1

• 三相 PWM 输出, 4个独立通道(如果正反算两个的话有8个). It has complementary PWM outputs with programmable inserted dead times

• 7个通用定时器

• 全功能的: TM2&5, TIM3&4, 4个独立通道 for input capture/output compare, PWM or one-pulse mode output.

• 普通的: TIM9, TIM10,11. TIM10和TIM11有1个独立通道, TIM9有2个独立通道 for input capture/output compare, PWM or one-pulse mode output.

• 2个watchdog timers

每个定时器都有对应的通道数, 一般都有CH1 - CH4, 对于TIM1, 还有CH1N - CH4N

关于CH1和CH1N
后者输出相对于前者反相的PWM信号, CH1和CH1N两个通道互补输出. 在设置这两个通道输出的时候如果开启了互补输出, 那么这两个引脚的输出电平始终相反, 也就是一个引脚输出低电平, 另一个引脚自动输出高电平, 反之亦然. 这样的输出方式一般用于电机驱动控制.

STM32F4的TIMx PIN脚输出映射关系

设置PWM输出电平的模式

PWM输出模式的配置主要有两个

1. TIM_OCMode: TIM输出比较和PWM模式

TIM_OCMode_Timing 在比较成功后不在对应输出管脚上产生输出, TIM_OCMode_Timing does not produce output on the corresponding output pin after a successful comparison

TIM_OCMode_Active

TIM_OCMode_Inactive

TIM_OCMode_Toggle 计数达到比较值时翻转对应输出管脚上的电平, TIM_OCMode_Toggle is to flip the level on the corresponding output pin after a successful comparison

TIM_OCMode_PWM1 常用的模式, CNT < CRRx时为有效电平, CNT > CRRx为无效电平

TIM_OCMode_PWM2 与PWM1相反, CNT小于时为无效电平, 高于时为有效电平, 配合TIM_OCPolarity可以做到和PWM1一样的输出

2. TIM_OCPolarity: PWM的有效电平

与TIM_OCMode_PWM1和TIM_OCMode_PWM2配合, TIM_OCPolarity_High表示有效电平是高电平, TIM_OCPolarity_Low是低电平

上面两个配置结合产生的效果

TIM_OCMode_PWM1模式下

设置TIM_OCPolarity_High, TIMx_CNT > TIMx_CCR输出高电平, TIMx_CNT < TIMx_CCR输出低电平

设置TIM_OCPolarity_Low, TIMx_CNT > TIMx_CCR输出低电平, TIMx_CNT < TIMx_CCR输出高电平

TIM_OCMode_PWM2模式下

设置TIM_OCPolarity_High, TIMx_CNT > TIMx_CCR输出低电平, TIMx_CNT < TIMx_CCR输出高电平

设置TIM_OCPolarity_Low, TIMx_CNT > TIMx_CCR输出高电平, TIMx_CNT < TIMx_CCR输出低电平

设置PWM频率

设置PWM频率, 即设置PWM完整周期的时钟计数次数. 这个是通过TIM_BaseStruct.TIM_Period(ARR寄存器)设置的, 要设置这个值, 首先你要知道这个值的上限, 即定时器的最大值, 例如 16bit 即 65535, 要计算出PWM频率, 可以这样计算

PWM_frequency = timer_tick_frequency / (TIM_Period + 1)

也可以通过PWM频率倒推时钟周期计数值

TIM_Period = timer_tick_frequency / PWM_frequency - 1

例如, 如果需要的PWM频率为10KHz, 则时钟的周期计数值为

TIM_Period = (84000000 / 10000) - 1; // 8399

如果需要17.57 Khz, 就是

TIM_Period = (SystemCoreClock / 17570 ) - 1;

如果通过这个式子算出来的计数值大于定时器长度(例如超过了65535), 你需要增大 prescaler, 降低系统时钟频率

如果需要在运行时修改, 可以使用函数TIM_PrescalerConfig(TIM2, 35999, TIM_PSCReloadMode_Immediate), 这个函数的作用就是在定时器工作时改变预分频器的值.

设置PWM占空比

设置占空比, 需要通过设置 TIM_Pulse 参数, 这个值就是用于比较的触发值CRR, TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 100表示触发值为100, 这个值的计算要结合PWM周期总计数值TIM_Period和需要的占空比百分比, 例如

pulse_length = ((TIM_Period + 1) * DutyCycle) / 100 - 1

# 其中DutyCycle是一个百分比, 例如对于TIM_Period为8399, 如果需要25%占空比

pulse_length = (8399 + 1) * 0.25 - 1 = 2099

如果需要在运行时修改, 你可以:

You just write the updated width to the TIMx_CCRy register. Changed the CCR value in the relevant timer register and this did the trick. In my case, the code used to change the duty cycle is 'TIM3 -> CCR4 = {required value}'

通过调用TIM_SetCompare[x](TIMx, Compare1)这个函数，修改CCR的值，改变输出占空比, 例如TIM_SetCompare1函数名中的数字1代表的是TIMx的通道1, 参数TIMx可以是TIM1, TIM2等, 第二个参数 Compare1, 是用于与TIMx计数值比较的数, 在TIMx达到这个计数值时将根据当前的模式和极性, 进行电平变换. TIM_SetCompareX这个函数有四个, 分别是TIM_SetCompare1, TIM_SetCompare2, TIM_SetCompare3, TIM_SetCompare4. 对应不同的CHx使用, 例如TIMx_CH1使用 TIM_SetCompare1, TIMx_CH2使用TIM_SetCompare2, 等等.

void TIM_SetCompare1(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare1) {

/* Check the parameters */

assert_param(IS_TIM_LIST8_PERIPH(TIMx));

/* Set the Capture Compare1 Register value */

TIMx->CCR1 = Compare1;

}

代码

启动对应输出口的定时器, 这里是TIM4

void TM_TIMER_Init(void) {

    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_BaseStruct;

    /* 开启TIM4时钟 */

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);

    /*    

    TIM4连接的是 APB1 总线, 在F407上时钟是 42MHz, 但是有内部PLL, 将频率翻倍为 84MHz. 注意: 也有定时器是接在 APB2 总线上的, 默认工作在 84MHz, 通过内部PLL翻倍至 168MHz                                                             

    设置预分频 timer prescaller 

    时钟被设置为     timer_tick_frequency = Timer_default_frequency / (prescaller_set + 1)

    在这个例子中, 我们希望使用最大频率, 所以 prescaller 设置为 0, 所以时钟与总线时钟一致, 频率为

    timer_tick_frequency = 84000000 / (0 + 1) = 84000000 

    */    

    TIM_BaseStruct.TIM_Prescaler = 0;

    /* 使用上升沿计数 */

    TIM_BaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;

    /*

    设置一个PWM完整周期的时钟计数次数, 首先你要知道定时器的最大值, 在这个例子中是16bit, 即 65535, 要计算出你的PWM频率, 可以这样计算

    PWM_frequency = timer_tick_frequency / (TIM_Period + 1)

    通过这个算式也可以通过PWM频率倒推时钟周期计数值

    TIM_Period = timer_tick_frequency / PWM_frequency - 1

    在这个例子中, 如果需要的PWM频率为10KHz, 则时钟的周期计数值为

    TIM_Period = 84000000 / 10000 - 1 = 8399

    如果通过这个式子算出来的计数值大于定时器长度(例如超过了65535), 你需要增大 prescaler 降低系统时钟频率

    */

    TIM_BaseStruct.TIM_Period = 8399; /* 10kHz PWM */

    /* TIM_ClockDivision的设置不影响PWM频率 */

    TIM_BaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;

    TIM_BaseStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;

    /* TIM4 初始化 */

    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_BaseStruct);

    /* TIM4 开始计数 */

    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);

}

初始化PWM 4个通道

void TM_PWM_Init(void) {

    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCStruct;

    /* 通道的公用配置 */

    /* PWM 模式 2 = Clear on compare match 达到预设值时拉低电平 */

    /* PWM 模式 1 = Set on compare match 达到预设值时拉高电平 */

    TIM_OCStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;

    TIM_OCStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;

    TIM_OCStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;

    /*

    要得到期望的占空比(DutyCycle, 一个百分比), 通过这个式子计算定时器触发值

    pulse_length = ((TIM_Period + 1) * DutyCycle) / 100 - 1

    例如

    25%  占空比: pulse_length = ((8399 + 1) * 25) / 100 - 1 = 2099

    50%  占空比: pulse_length = ((8399 + 1) * 50) / 100 - 1 = 4199

    75%  占空比: pulse_length = ((8399 + 1) * 75) / 100 - 1 = 6299

    100% 占空比: pulse_length = ((8399 + 1) * 100) / 100 - 1 = 8399

    注意: 如果触发值大于时钟周期总长度 TIM_Period, 这个PWM将一直输出同样的电平

    */

    TIM_OCStruct.TIM_Pulse = 2099; /* 25% duty cycle */

    TIM_OC1Init(TIM4, &TIM_OCStruct);

    TIM_OC1PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);

    TIM_OCStruct.TIM_Pulse = 4199; /* 50% duty cycle */

    TIM_OC2Init(TIM4, &TIM_OCStruct);

    TIM_OC2PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);

    TIM_OCStruct.TIM_Pulse = 6299; /* 75% duty cycle */

    TIM_OC3Init(TIM4, &TIM_OCStruct);

    TIM_OC3PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);

    TIM_OCStruct.TIM_Pulse = 8399; /* 100% duty cycle */

    TIM_OC4Init(TIM4, &TIM_OCStruct);

    TIM_OC4PreloadConfig(TIM4, TIM_OCPreload_Enable);

}

初始化GPIO输出

void TM_LEDS_Init(void) {

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

    /* GPIOD 时钟 */

    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOD, ENABLE);

    /* 设置这些PIN脚的功能复用 */

    GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource12, GPIO_AF_TIM4);

    GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource13, GPIO_AF_TIM4);

    GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource14, GPIO_AF_TIM4);

    GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource15, GPIO_AF_TIM4);

    /* 设置PIN脚 */

    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 | GPIO_Pin_15;

    GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;

    GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;

    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;

    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;

    GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);

}

完整的代码

#include "defines.h"

#include "stm32f4xx.h"

#include "stm32f4xx_rcc.h"

#include "stm32f4xx_gpio.h"

#include "stm32f4xx_tim.h"

TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;

TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;

u16 TimerPeriod = 0;

u16 Channel1Pulse = 0, Channel2Pulse = 0, Channel3Pulse = 0, Channel4Pulse = 0;

void DecreasePuls() {

  Channel1Pulse = (Channel1Pulse <= 10)? TimerPeriod : Channel1Pulse - 10;

  Channel2Pulse = (Channel2Pulse <= 10)? TimerPeriod : Channel2Pulse - 10;

  Channel3Pulse = (Channel3Pulse <= 10)? TimerPeriod : Channel3Pulse - 10;

  Channel4Pulse = (Channel4Pulse <= 10)? TimerPeriod : Channel4Pulse - 10;

}

void TIM_Config(void)

{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  /* GPIOA, GPIOB Clocks enable */

  RCC_AHB1PeriphClockCmd( RCC_AHB1Periph_GPIOA | RCC_AHB1Periph_GPIOB , ENABLE);

  /* GPIOA Configuration: Channel 1, 2, 3, 4 as alternate function push-pull */

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;

  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;

  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;