stm32 定时器输出比较(OC)与PWM的理解和应用

不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海。
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喜欢交友、骑行、写毛笔字、弹吉他、折腾硬件和写代码。

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1. 定时器TIM简介

  • TIM 是 stm32 微控制器中的定时器模块。stm32 包含多个定时器模块，每个定时器模块有不同的功能和配置，适用于各种应用场景。
  • 定时器可以对输入的时钟进行计数，并在计数值达到设定值时触发中断
  • 不仅具备基本的定时中断功能，而且还包含内外时钟源选择、输入捕获、输出比较、编码器接口、主从模式等多种功能

定时器分类：
图1
基本定时器结构（时基单元）：
图2

2. TIM 定时器相关概念

  • 计数模式
    • 向上计数模式(Up-counter mode)
    • 向下计数模式(Down-counter mode)
    • 中心对齐模式(Center-aligned mode)
  • 预分频器(Prescaler)
    主要作用是控制(降低)计数器时钟频率。
计数器时钟频率 = 定时器输入时钟频率(CK_PSC) / (预分频值 + 1) = CK_PSC / (PSC + 1)


通常 CK_PSC 为内部时钟CK_INT，即为72MHz

  • 自动重装寄存器(ARR)
    设置计数器的周期值。当计数器达到该值时，会产生一个更新时间（中断或 DMA 请求），计数器重新从 0 开始计数。
  • 输出比较(Output Compare, OC)
    定时器的输出比较功能可以用来产生精准的输出信号。通过设置比较寄存器（CCR），可以控制输出引脚的状态。
  • 输入捕获(Input Capture)
    定时器的输入捕获功能可以测量外部信号的周期和脉宽。
  • PWM 模式(Pulse Width Modulation)
    定时器 PWM 模式可以产生占空比可调的 PWM 信号，常用于电机控制、LED调光等。

3. 输出比较(Output Compare, OC)

框图如下：
图3

  • 输出比较可以通过比较 CNT 与 CCR 寄存器值的关系，来对输出电平进行置1、置0或翻转等操作，用于输出一定频率和占空比的 PWM 波形；
  • 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

输出比较产生的信号模式：
图4

4. PWM

PWM: Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制。在具有惯性的系统中，可以通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的模拟参量，常用于电机控速等领域。

  • 频率：PWM 信号的周期倒数。
f = 1 / Ts = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
  • 占空比：高电平时间(Ton)与周期时间(Ts)的比值，通常用百分比表示。
占空比 = Ton / Ts = Ton / (ARR + 1) = CCR / (ARR + 1)

占空比决定了输出信号在一个周期内为高电平的时间比例

  • 分辨率：分辨率是占空比的最小变化步距。分辨率通常由定时器的计数位数（如8位、16位等）决定，影响 PWM 信号的精细度。
分辨率 = 1 / (计数器最大值 + 1) = 1 / (ARR + 1)


见图：
图5
PWM 基本结构图，也是作为后续编程的参考图：
图6

5. 应用举例

5.1 使用 PWM 驱动 LED 呼吸灯

这个例子主要通过 PWM 实现 LED 呼吸灯的效果。
基本思想：通过 TIM2 定时器，输出 PWM 脉宽给到 LED ，LED 呈现呼吸闪烁的过程。
实现思维逻辑：
根据 PWM 基本结构图，基本步骤为：

  1. 初始化时基单元
  2. 配置 OC
  3. 由于需要控制一个 LED 灯，所以需要配置一个 GPIO 用于输出 PWM 的信号
  4. 运行控制逻辑

硬件电路：
由于使用的是 TIM2 定时器的通道1即 TIM2_CH1_ETR 输出信号，而 TIM2_CH1_ETR 输出复用的是 PA0 口，如图：
图7PA0 口插上 LED 的正极，负极接在 GND 上。
代码：
PWM.c

void PWM_Init(void)
{// 初始化时基单元RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); // TIM2 在 APB1 总线TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct; // 时基单元结构体TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; // 时钟分频TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 计数器模式TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 100 - 1; // 计数周期 ARRTIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 7200 - 1 ; // 预分频器 PSCTIM_TimeBaseStruct.TIM_RepetitionCounter = 0; // 重复计数器，高级定时器才会用到TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStruct);// OC 配置 定时器通道配置TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStruct);TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; // OC 输出模式 见图7TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; // 输出极性 见图7 REF 置有效电平TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 输出使能状态TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 0; // CCR 比较寄存器 0 ~ 100TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStruct);// GPIO 配置// 这里需要复用 PA0 口，所以 AFIO 一并启用RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 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);// 开启 TIM2 TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}void SetCompare1(uint16_t Compare1)
{TIM_SetCompare1(TIM2, Compare1);
}

main.c:

int main() 
{PWM_Init();int8_t i = 0;while(1) {for(i = 0; i <= 100; i++) {SetCompare1(i);Delay_ms(10);}for(i = 100; i >= 0; i--) {SetCompare1(i);Delay_ms(10);}}
}

5.1 使用 PWM 驱动 舵机

PWM 驱动舵机与 PWM 驱动 LED 呼吸灯整个流程基本一致，不同的是要根据舵机的特性来控制 PWM 输出的脉宽信号。
舵机的特性：

舵机预分频器计算：

  1. 预分频器：72，TIM_CLK = 72MHz / 72 = 1MHz
  2. 定时周期： TIM_Period = PWM周期 * TIM_CLCK频率 - 1
    其中 PWM 周期为 20ms， 定时器时钟频率为 1MHz，因此 TIM_Period = 20ms * 1MHZ - 1 = 20000 - 1

角度到脉宽的线性变换公式：

代码：
大部分的代码都与 LED 呼吸灯类似，就是几个参数有所改变：

void PWM_Init(void)
{//RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct;TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 20000 - 1;TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 72 - 1;TIM_TimeBaseStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStruct);// OCTIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStruct);TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 0;TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStruct);//RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}void Servo_Angle(float angle)
{TIM_SetCompare1(TIM2, angle / 180.0 * 2000 + 500);
}

main.c

int main() 
{OLED_Init();PWM_Init();Key_Init();float angle = 0;Servo_Angle(0);char str[100] = {0};int8_t is_rt = 0;while(1) {if(Key_Read() ==1) {if(is_rt == 1) angle -= 20;else angle += 20;}Servo_Angle(angle);sprintf(str, "angle: %d    ", (int)angle);OLED_ShowString(1, 1, str);if(angle == 180) is_rt = 1;if(angle == 0) is_rt = 0;}
}

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