2021年09月29日 | STM8S（105K4）使用笔记——通过TIM1输出PWM做呼吸灯

STM8S105K4相关

已知的可以作为TIM1 PWM的输出通道为PC1、PC2、PC3、PC4。

已知可选的TIM1时钟为fmaster。

若使用的STM8S的芯片不为105K4，请查阅芯片相对应的文档，确认TIM1的PWM的输出通道，同时设置相应的选项字节。

呼吸灯功能需求设置

呼吸灯有这么两个最常见的功能需求：

LED灯一次灭到亮的耗时T(s)，即周期/2

LED灯的刷新率P(Hz)

由这两个参数可得：

LED灯一次灭到亮需要刷新的次数N，N = T × P

例如：

LED灯一次灭到亮需求为1.5s

LED灯的刷新率为60Hz（约每0.017s刷新一次）

LED灯一次灭到亮需要刷新的次数为90次

至此，LED功能需求约定完成。

TIM1的PWM设置

由ST所提供的官方库中，有这么一个函数。

/**

  * @brief  Initializes the TIM1 Time Base Unit according to the specified parameters.

  * @param  TIM1_Prescaler specifies the Prescaler value.

  * @param  TIM1_CounterMode specifies the counter mode  from @ref TIM1_CounterMode_TypeDef .

  * @param  TIM1_Period specifies the Period value.

  * @param  TIM1_RepetitionCounter specifies the Repetition counter value

  * @retval None

  */

void TIM1_TimeBaseInit(uint16_t TIM1_Prescaler,

                       TIM1_CounterMode_TypeDef TIM1_CounterMode,

                       uint16_t TIM1_Period,

                       uint8_t TIM1_RepetitionCounter)

{

  /* Check parameters */

  assert_param(IS_TIM1_COUNTER_MODE_OK(TIM1_CounterMode));

  /* Set the Autoreload value */

  TIM1->ARRH = (uint8_t)(TIM1_Period >> 8);

  TIM1->ARRL = (uint8_t)(TIM1_Period);

  /* Set the Prescaler value */

  TIM1->PSCRH = (uint8_t)(TIM1_Prescaler >> 8);

  TIM1->PSCRL = (uint8_t)(TIM1_Prescaler);

  /* Select the Counter Mode */

  TIM1->CR1 = (uint8_t)((uint8_t)(TIM1->CR1 & (uint8_t)(~(TIM1_CR1_CMS | TIM1_CR1_DIR)))

                        | (uint8_t)(TIM1_CounterMode));

  /* Set the Repetition Counter value */

  TIM1->RCR = TIM1_RepetitionCounter;

}

相信很多人与我一样，无法理解使用PWM，需要如何配置TIM1_Prescaler，TIM1_Period这两个值。

下面将对这两个值的配置做出解释：

TIM1_Prescaler：该参数的设置会使TIM1的工作频率为f = fmaster / (TIM1_Prescaler + 1）Hz，即每1/f s做一次计数。

TIM1_Period：该参数的设置会使TIM1计数TIM1_Period次进行一次更新。即每(1 / f）× TIM1_Period s进行一次更新。

同时，在PWM模式下，TIM1_Period也作为PWM占空比的宽度。当你在占空比设置时，若你设置的占空比值为TIM1_Period / 2，那么你的灯泡将会以50%的亮度被点亮。

例如：

HSI的频率fmaster = 16MHz

LED灯一次灭到亮需求为1.5s

LED灯的刷新率为60Hz（约每0.017s刷新一次）

LED灯一次灭到亮需要刷新的次数为90次

TIM1_Period设置为90

由于LED灯的刷新率为60Hz，则需TIM1的更新频率(16000000/ (TIM1_Prescaler + 1) × 90) > 60Hz。

即需TIM1_Period + 1 < 2962.962 ≈ 2963。

此时，只需要每0.017s使通道PWM输出的占空比值步进1，就能让LED灯以60Hz的刷新率在1.5s内由灭到亮（亮到灭）。

/* 关键代码片段 */

  TIM1_TimeBaseInit(2963, TIM1_COUNTERMODE_UP, 90, 0);

/* 关键代码片段 */

void main(void)

{

  static uint32_t startTick = 0;

  while (1)

  {

    static uint16_t pwm = 90;

    static FlagStatus pwmtozero = RESET;

    if (SYS_GetTick() - startTick > 17)

    {

if (pwmtozero == RESET)

      {

        pwm -= 1;

      }

      else

      {

        pwm += 1;

      }

      TIM1_SetCompare3(pwm);

      if (pwm == 0)

      {

        pwmtozero = SET;

      }

      else if ((pwm == 90))

      {

        pwmtozero = RESET;

      }

      startTick = SYS_GetTick();

    }

    }

}

注：SYS_GetTick()将返回一个uwTick变量，该变量每1ms步进一次，实现方式可以参考这篇博客：STM8S（105K4）使用笔记——TIM4的基础配置

至此，TIM1通过PWM输出实现LED呼吸灯基本实现。

Gamma

由上面的参数与代码逻辑可知，PWM的占空比变化是线性，因此，LED灯的亮度变化也是线性的。但由于人眼对亮度认知的问题，上面代码跑出来的呼吸灯，在视觉认知上的亮度变化并不是线性。如下方图片所示：

为此，需引入Gamma系数对占空比进行变换，让LED灯亮度完成视觉认知上线性变换。

根据不同颜色的灯，有如下Gamma系数：

由于stm8105k4的性能限制，开根对性能要求太大，pwm值变换引入的Gamma值一律为2。

本篇博客不对Gamma值进行探讨，仅引入解决方案。

引入Gamma系数

回到原本的例子：

HSI的频率fmaster = 16MHz

LED灯一次灭到亮需求为1.5s

LED灯的刷新率为60Hz（约每0.017s刷新一次）

LED灯一次灭到亮需要刷新的次数为90次

TIM1_Period设置为90^2 = 8100

这里TIM1_Period的设置为刷新次数N^Gamma。若你所选用的芯片有较高的计算性能，可以选用合适的Gamma值，由于stm8s105k4的计算性能并不高，因此简单地使用2作为Gamma值。

TIM1_Prescaler至少需小于等于32

/* TIM1初始化配置 */

/**

  * @brief TIM1 Initialization Function

  * @param None

  * @retval None

  */

static void _TIM1_Init(void)

{

/* De-Init TIM1 peripheral*/

  TIM1_DeInit();

  /* Time Base configuration */

  /*

  TIM1_Period = 32

  TIM1_Prescaler = 8100

  TIM1_CounterMode = TIM1_COUNTERMODE_UP

  TIM1_RepetitionCounter = 0

  */

  TIM1_TimeBaseInit(32, TIM1_COUNTERMODE_UP, 8100, 0);

  /*TIM1_Pulse = CCR3_Val*/

  TIM1_OC3Init(TIM1_OCMODE_PWM1, TIM1_OUTPUTSTATE_ENABLE, TIM1_OUTPUTNSTATE_DISABLE,

                0, TIM1_OCPOLARITY_LOW, TIM1_OCNPOLARITY_HIGH, TIM1_OCIDLESTATE_SET,

                TIM1_OCNIDLESTATE_SET);

  /* TIM1 counter enable */

  TIM1_Cmd(ENABLE);

  /* TIM1 Main Output Enable */

  TIM1_CtrlPWMOutputs(ENABLE);

}

/* main中算法与代码 */

void main(void)

{

  static uint32_t startTick = 0;

  while (1)

  {

    static uint8_t number = 90;

    static uint16_t pwm = 0;

    static FlagStatus pwmtozero = RESET;

    if (SYS_GetTick() - startTick > 17)

    {

      if (pwmtozero == RESET)

      {

        number -= 1;

      }

      else

      {

        number += 1;

      }

      pwm = number * number;

      TIM1_SetCompare3(pwm);

      if (number == 0)

      {

        pwmtozero = SET;

      }

      else if ((number == 90))

      {

        pwmtozero = RESET;

      }

      startTick = SYS_GetTick();

    }

  }

}

至此，符合人眼视觉认知的亮度线性变化完成。

注：官方库TIM1_OCxInitx()中的变量TIM1_Pulse可理解为初始占空比值，即LED灯初始亮度。

写在最后

我非常感谢我的同事Mak对我的帮助。最初在实验PWM功能时，查阅过很多博客，但大多都是在写如何初始化TIM1，并没有说如何实现一个LED呼吸灯功能，所以在做了诸多实际试验后，决定把我的理解和成果写在了这篇文章中，希望对大家有帮助。

还有一点！如果在此前对TIM1的时钟门控进行过关闭，请记得打开！！！不然你会调代码调到怀疑人生