STM8S（105K4）使用笔记——通过TIM1输出PWM做呼吸灯

引言

本篇博客将讲解PWM做呼吸灯的一个方法。
本篇博客将不会从TIM1设置做引入，而是从呼吸灯实际功能实现做引入。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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233~