STM32定时器的OC比较和PWM

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文章目录

1. 输出比较(OC)

2. PWM

3. PWM的输出

3.1 高级定时器

3.2 通用定时器 

4. PWM的输出结构

5. 代码示例

5.1 PWM.c

5.2 PWM.h

5.3 main.c


这篇文章解释了TIM定时器的内部时钟和外部时钟的使用:

STM32中断之TIM定时

1. 输出比较(OC)

输出比较(Output Compare,简称OC)是定时器的一个重要功能,它允许定时器在达到特定的计数值时(由CNT和CCR寄存器确定)进行特定的动作,也就是对输出电平进行置1、置0或翻转的操作,用于输出一定频率和占空比的PWM波形。

这种机制在产生准确的时间延迟、测量时间间隔以及生成PWM(脉宽调制)信号等应用中非常有用。这里的详细解释如下:

  • 定时器的CNT寄存器:这是定时器的当前计数值,通常由时钟信号递增。计数器会根据配置的模式(向上、向下或者向上向下计数)和速率(由预分频器PSC设置)增加。

  • CCR寄存器:是“捕获/比较寄存器”。在输出比较模式中,可以在CCR寄存器中设置一个值,当CNT寄存器的计数值与CCR寄存器的值匹配时,可以触发一个事件(如翻转输出引脚的电平或生成一个中断信号)。

  • OC功能:当CNT与CCR的值相等时,根据你的配置,定时器可以改变其输出引脚的状态,生成PWM信号,或触发其他外设(如DMA传输)。

  • 每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输出比较通道。高级定时器的前3个通道额外拥有死区生成和互补输出的功能

2. PWM

PWM(Pulse Width Modulation)脉宽宽度调制是一种非常有效的技术,用于控制模拟电路的功率,通过在数字引脚上产生一系列高低电平的脉冲。在这个过程中,脉冲的宽度(即脉冲持续的时间)会根据需要调整,以表示特定的信号强度。PWM用于控制电机的速度、LED的亮度、以及其他需要变化功率的场合。

  • 频率:PWM信号的频率定义为一个周期内的倒数,用公式表示为 f= 1/Ts。这里 Ts 是信号周期,即从一个脉冲开始到下一个相同点的时间。

  • 占空比:占空比描述了高电平在整个周期内的时间比例,用公式表示为 D = Ton/Ts。TON​ 是信号在高电平的持续时间,TS​ 依旧是周期时间。占空比可以转化为输出电压的平均值,因此通过调整占空比可以模拟出不同的电压水平。

如下图所示:

  • 左侧图示显示了一个正弦波信号,它被用于生成PWM信号。可以看到,正弦波信号的幅度变化与PWM信号的占空比变化是对应的。正弦波上升时,PWM的占空比增大,导致高电平时间延长;正弦波下降时,占空比减小,高电平时间缩短。换句话说,当上面电平时间长,下面电平时间短,等效的模拟量就偏上上面。

  • 右侧图示是一个PWM信号的时间图,展示了连续几个周期内的高电平(TON​)和低电平(TOFF​)的长度。整个周期 TS​ 是 TON​ 和 TOFF​ 之和。

3. PWM的输出

下面介绍定时器的输出比较模块怎么去输出PWM波形:

3.1 高级定时器

3.2 通用定时器 

首先左边CNT和CCR进行比较,当CNT >= CCR时,就会给输出模式控制器传输信号,改变它输出OC1REF(reference) 的高低电平。接着REF信号可以选择前往主模式控制器,可以把REF映射到主模式的TRGO输出上去。也可以选择通过下面的电路,到达一个极性选择,给这个寄存器写入0,信号会往上走,代表信号电平不反转,如果写入1,信号会通过非门取反,意味着信号进行反转。之后输出使能电路,选择要不要输出。最后到达OC1引脚,也就是CH1通道的引脚。

对于如何判断给REF高电平还是低电平,参考下面的表格,代表输出比较的八种模式:

模式条件描述
冻结模式CNT=CCR时,REF保持不变不管计数值和比较值的关系如何,输出始终不变
匹配时通道有关电平CNT=CCR时,REF置有效电平有效电平可以理解为高电平
匹配时通道无关电平CNT=CCR时,REF置无效电平无效电平可以理解为低电平
匹配时电平翻转CNT=CCR时,REF电平翻转当计数值等于比较值时,输出引脚电平翻转
强制为无效电平CNT与CCR无关,REF强制为无效电平无论计数值与比较值的关系如何,输出引脚始终为无效电平
强制为有效电平CNT与CCR无关,REF强制为有效电平无论计数值与比较值的关系如何,输出引脚始终为有效电平
PWM模式1CNT < CCR时,REF置有效电平,CNT > CCR时,REF置无效电平适用于PWM输出的通用模式
PWM模式2CNT < CCR时,REF置无效电平,CNT > CCR时,REF置有效电平与PWM模式1相反,适用于需要在周期开始时输出无效,周期结束时输出有效的PWM输出模式

4. PWM的输出结构

首先左上角是时间单元和运行控制部分

  • ARR (Auto-Reload Register):自动重载寄存器,定义了计数器的最大值,从而定义了PWM周期。
  • PSC (Prescaler):预分频器,它决定了计数器的计数频率,实际上是减慢计数器的速度。
  • 计数器 (CNT):当计数器值增加到ARR值时,会产生一个更新事件(即溢出),并重置为0开始新的周期。

配置好了时基单元,CNT就可以开始不断地增加数值。下面是输出比较单元部分,一共有四路。最开始是CCR寄存器,CCR是自己设置的数值,此时CCR和CNT不断进行比较,后面就是输出模式控制器。图片使用的是PWM模式1。

右边的图可以看出是如何输出PWM波形的,蓝色线是CNT的值,黄色线是ARR的值,蓝色线从0开始自增,一直增加到ARR的值(99),之后清零重新开始。红色线是CCR,比如设置CCR为30,之后通过输出模式控制器,就可以得到绿色的线,CNT < CCR 绿色的线为高电平。CCR设置的低,输出的占空比就小,CCR设置的高,输出占空比就变大。

参数计算:

PWM频率(Freq):  Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)

等于计数器的更新频率,PWM的频率取决于时钟预分频器(CK_PSC)除以预分频器值(PSC)加1再除以自动重载寄存器(ARR)的值加1。

PWM占空比(Duty):  Duty = CCR / (ARR + 1)

对比上面的图,因为ARR是从0到99,所以要加1。CCR在到达30时已经变为低电平,所以相当于0到29,不用加1。

PWM分辨率(Reso):  Reso = 1 / (ARR + 1)

占空比变化的步距,描述了PWM波形的最小变化单位。分辨率决定了可以生成的最小的PWM调节步长。CCR的值应该设置在0到ARR+1的范围内,CCR=ARR+1时,占空比为100%,也就是说如果CCR大于了ARR+1,此时占空比始终为100%。ARR的数值越大,CCR的范围就越大,对应的分辨率就越大。

5. 代码示例

STM32使用PWM实现LED呼吸灯,引脚连接为:

LEDSTM32
正极PA0
负极GND

这个连接方式代表高电平点亮,低电平熄灭,占空比越大,LED越亮,占空比越小,LED越暗。

首先第一步:开始RCC时钟,打开将要使用的TIM外设时钟和GPIO外设时钟。

第二步:配置时基单元,PSC预分频器、CNT计数器和ARR自动重装载,也包括包括时钟源选择。

第三步:配置输出比较单元,包括CCR的数值,输出比较模式,极性选择,输出使能。

第四步:配置GPIO,把PWM对应的GPIO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。

5.1 PWM.c

要使用的库函数文件依然为:stm32f10x_tim.h,拖到最下面,在这里可以找到定时器TIM需要使用到的函数。

#include "stm32f10x.h" //函    数:PWM初始化
void PWM_Init(void)
{//开启时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);			//开启TIM2的时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);			//开启GPIOA的时钟//GPIO重映射
//	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);			//开启AFIO的时钟,重映射必须先开启AFIO的时钟
//	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2, ENABLE);			//将TIM2的引脚部分重映射,具体的映射方案需查看参考手册
//	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);		//将JTAG引脚失能,作为普通GPIO引脚使用//GPIO初始化GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;		//GPIO_Pin_15;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);							//将PA0引脚初始化为复用推挽输出	//受外设控制的引脚,均需要配置为复用模式		//配置时钟源TIM_InternalClockConfig(TIM2);		//选择TIM2为内部时钟,若不调用此函数,TIM默认也为内部时钟//时基单元初始化TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;				//定义结构体变量TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;     //时钟分频,选择不分频,此参数用于配置滤波器时钟,不影响时基单元功能TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数器模式,选择向上计数TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;					//计数周期,即ARR的值TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1;				//预分频器,即PSC的值TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;            //重复计数器,高级定时器才会用到TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);             //将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit,配置TIM2的时基单元//输出比较初始化TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;							//定义结构体变量TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);							//结构体初始化,若结构体没有完整赋值//则最好执行此函数,给结构体所有成员都赋一个默认值//避免结构体初值不确定的问题TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;				//输出比较模式,选择PWM模式1TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;		//输出极性,选择为高,若选择极性为低,则输出高低电平取反TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;	//输出使能TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;								//初始的CCR值TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);						//将结构体变量交给TIM_OC1Init,配置TIM2的输出比较通道1//TIM使能TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);			//使能TIM2,定时器开始运行
}//PWM设置CCR
void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare)
{TIM_SetCompare1(TIM2, Compare);		//设置CCR1的值
}

RCC_APB1PeriphClockCmd

  • TIM2 代表定时器2,它是STM32的一个基础硬件定时器。在STM32的某些系列中,TIM2连接到的是APB1总线。
  • ENABLE 是一个宏定义,用来开启某项功能,这里用来开启TIM2的时钟。如果传递 DISABLE 则会关闭外设的时钟。
  • 简单来说,RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); 这行代码的作用是开启连接到APB1总线的定时器2(TIM2)的时钟。只有开启了时钟,程序中关于TIM2的其他功能(如计时、计数、PWM发生等)才能正常工作。

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

  • GPIO的初始化中,选择AF_PP复用推挽输出,因为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,如果想用定时器来控制引脚,就需要使用复用开漏/推挽输出模式。

时基单元中的数值设置:

产生一个频率为1KHz,占空比为50%,分辨率为1%的PWM波形图,代入公式为:

  • 频率 = CK_PSC(72M) / (PSC + 1) / (ARR + 1) = 1000
  • 占空比 = CCR / (ARR + 1) = 50%
  • 分辨率为 = 1 / (ARR + 1) = 1%
  • 所以得到ARR = 99, CCR = 50, PSC = 719

5.2 PWM.h

接着是PWM.h文件,这部分引用声明一下即可

#ifndef __PWM_H
#define __PWM_Hvoid PWM_Init(void);
void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare);#endif

 

5.3 main.c

#include "stm32f10x.h" 
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "PWM.h"uint8_t i;			//定义for循环的变量int main(void)
{/*模块初始化*/OLED_Init();		//OLED初始化PWM_Init();			//PWM初始化while (1){for (i = 0; i <= 100; i++){PWM_SetCompare1(i);			//依次将定时器的CCR寄存器设置为0~100,PWM占空比逐渐增大,LED逐渐变亮Delay_ms(10);				//延时10ms}for (i = 0; i <= 100; i++){PWM_SetCompare1(100 - i);	//依次将定时器的CCR寄存器设置为100~0,PWM占空比逐渐减小,LED逐渐变暗Delay_ms(10);				//延时10ms}}
}

for循环:
PWM_SetCompare1(i);: 设置PWM的比较寄存器(CCR)的值。在PWM模式下,CCR值决定了PWM波形的占空比(即波形的高电平部分占整个周期的比例)。随着i的增加,占空比增大,LED亮度增加。

PWM_SetCompare1(100 - i);: 这次设置的是递减的CCR值,从100减到0。这导致LED的占空比随着i的增加而减小,使LED逐渐变暗。
Delay_ms(10);: 等待10毫秒。这使得LED亮度的变化不会太快,人眼能够感知到渐变效果。

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