第 40 章呼吸灯与 SPWM 波

40.1 呼吸灯简介

呼吸灯，就是指灯光设备的亮度随着时间由暗到亮逐渐增强，再由亮到暗逐渐衰减，很有节奏感地一起一伏，就像是在呼吸一样。

40.2 呼吸灯与 PWM 控制原理

呼吸的特性是一种类似图指数曲线中的指数曲线过程，吸气是指数上升过程，呼气是指数下降过程，成年人吸气呼气整个过程持续约 3 秒。

实现过程：

要控制 LED 灯达到呼吸灯的效果，实际上就是要控制 LED 灯的亮度拟合呼吸特性曲线。前面控制全彩 LED 灯时，通过控制脉冲的占空比来调整各个通道 LED 灯的亮度，从而达到混色的效果。若控制脉冲的占空比在 3 秒的时间周期内按呼吸特性曲线变化，那么就可以实现呼吸灯的效果

运用原理：

使用脉冲占空比拟合不同波形的方式称为 PWM(脉冲宽度调制) 控制技术——通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

PWM 控制的基本原理为：冲量相等而开头不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。其中冲量指窄脉冲的面积；效果相同指环节输出响应波形基本相同。

PWM等效正弦波：

• 把正弦半波 N 等分，可看成 N 个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；

• 用矩形脉冲代替，各个矩形脉冲等幅，不等宽，中点重合，脉冲宽度按正弦规律变化，脉冲的总面积（冲量）与正弦半波相等。

这种脉冲波形被称为 SPWM 波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形。

若把拟合的波形改成呼吸特性曲线，即可得到控制呼吸灯使用的 PWM 波形，要生成拟合的 PWM波形，通常使用计算法和调制法：

(1) 计算法：根据拟合波形的频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算 PWM 波各脉冲宽度和间隔，据此控制开关器件的通断，就可得到所需 PWM 波形；

(2) 调制法：拟合波形作调制信号，进行调制得到期望的 PWM 波；该方法一般采用等腰三角波为载波，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称。载波 (等腰三角波) 与平缓变化的调制信号波 (即要拟合的波形) 相交，在载波与信号波的交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合 PWM 的要求，见图调制法得到 PWM 波。相对于计算法，其处理过程计算简单。

使用计算法得到的呼吸曲线 PWM 波和 SPWM 波，并使用 STM32定时器 TIM 的 PWM 功能输出波形控制 LED 灯，达到呼吸灯的效果。

40.3 硬件设计

因为本实验的软件将使用 STM32 的定时器控制输出 PWM 脉冲，然而并不是任意 GPIO 都具有 STM32 定时器的输出通道功能，所以在设计硬件时，需要根据《STM32 中文数据手册》中的说明，选择具有定时器输出通道功能的引脚来控制 RGB 灯

40.4 单色呼吸灯实验

4.1 编程要点

初始化 PWM 输出通道，初始化 PWM 工作模式；
计算获取 PWM 数据表；
编写中断服务函数，在中断服务函数根据 PWM 数据表切换比较寄存器的值；

4.2 代码分析

4.2.1 LED 灯硬件相关宏定义

4.2.2 初始化 GPIO

4.2.3 定义 PWM 表

4.2.4 定时器 PWM 配置

4.2.5 定时器中断服务函数

4.2.6 计算拟合波形的周期

• TIMPeriod：定时器的计数周期，它的值必须与 PWM 表中的极大值相等（应用中赋值需要减 1），而 PWM 表的极大值决定了控制的分辨率。例如极大值为 10 时，PWM 占空比只有10 个等级，精确到 0.1，当极大值为 1000 时，PWM 占空比有 1000 个等级，精确到 0.001。

• TIM_Prescaler：定时器时钟分频因子，它控制定时器计数器 CNT 计数加 1 所需要的时间，它的值太大会导致输出的单个 PWM 波周期过长，影响控制的动态特性。如控制 LED 灯时，该值太大会导致 LED 灯开关时间变长，闪烁明显。一般来说，该值越小越好。

• PWM 表的点数：PWM 表的点数即对拟合曲线的采样点数，采样点越多，能更好地还原拟合曲线，采样点太少，可能会导致失真，见图对呼吸特性曲线采样 110 个和 10 个点时的情况。

• period_class：周期倍数，即 PWM 表中每个元素的循环次数，它影响拟合曲线的周期。当period_class=1 时，可以输出本配置中周期最短的拟合曲线。

• amplitude_class：幅值分级，在后面全彩呼吸灯和 SPWM 实验中，我们还会增加该变量，它可以把拟合曲线的幅值分成 N 个等级，控制时可以选择按某个幅值等级进行输出。本实验中没有配置该参数，所以只能输出最大的等级，即 amplitude_class=1。以上各个参数虽然侧重点不同，但若修改其中的任何一个，最终都会影响到所拟合曲线的周期，所以在实际应用中，通常先设定好 TIMPeriod、TIM_Prescaler、PWM 表的点数以及幅值等级数amplitude_class，得到适合的控制精度、动态特性拟合度以及幅值等级后，然后再调period_class控制拟合曲线的周期，而且 period_class 在程序中动态修改非常方便，不需要重置定时器和PWM表。

最终，我们把本工程配置中的拟合曲线周期计算公式概括如下：

(1) STM32 系统时钟默认频率和周期：f_pclk = 72000000 t_pclk = 1/f_pclk

(2) 定时器 update 事件周期，即定时器中断周期：

t_timer = t_pclk * TIMER_TIM_Prescaler * TIMER_TIM_Period

(3) 每个 PWM 点的时间：T_Point = t_timer * PERIOD_CLASS

(4) 最终，遍历 PWM 表的周期，即拟合曲线的周期：T_PWM = T_Point * POINT_NUM

例如，本工程配置中：

PWM 点数：POINT_NUM = 110

周期倍数：PERIOD_CLASS = 10

定时器定时周期：TIMER_TIM_Period = 1024

定时器分频：TIMER_TIM_Prescaler = 200

代入公式，计算得 T_PWM = 3.128 秒

通过公式的计算可知本工程的配置可使得输出的拟合曲线周期为 3.128 秒，是比较平缓的呼吸周期

4.2.7 主函数

main.c

#include "stm32f10x.h"
#include "./breathinglight/bsp_breathing.h"



/**
  * @brief  主函数
  * @param  无
  * @retval 无
  */
int main(void)
{			
	/* 初始化呼吸灯 */
	TIMx_Breathing_Init();

	while(1)
	{
	
	}		
}



/*********************************************END OF FILE**********************/

breathing.h

#ifndef __PWM_BREATHING_H
#define	__PWM_BREATHING_H

#include "stm32f10x.h"

/*PWM表中的点数*/
extern uint16_t  POINT_NUM	;
//控制输出波形的频率
extern __IO uint16_t period_class ;


#define RED_LIGHT 		1
#define GREEN_LIGHT 	2
#define BLUE_LIGHT		3

/*要使用什么颜色的呼吸灯，可选RED_LIGHT、GREEN_LIGHT、BLUE_LIGHT*/
#define LIGHT_COLOR 	RED_LIGHT

/********************定时器通道**************************/
#if  LIGHT_COLOR == RED_LIGHT
/************红灯***************/
	#define   BRE_TIMx                      TIM3

	#define   BRE_TIM_APBxClock_FUN        RCC_APB1PeriphClockCmd
	#define   BRE_TIM_CLK                   RCC_APB1Periph_TIM3
	#define   BRE_TIM_GPIO_APBxClock_FUN   RCC_APB2PeriphClockCmd
	#define   BRE_TIM_GPIO_CLK              (RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_AFIO)

	//红灯的引脚需要重映射
	#define   BRE_GPIO_REMAP_FUN()						GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); 				

	#define  BRE_TIM_LED_PORT               GPIOB
	#define  BRE_TIM_LED_PIN                GPIO_Pin_5

	#define  BRE_TIM_OCxInit                TIM_OC2Init            //通道选择，1~4
	#define  BRE_TIM_OCxPreloadConfig       TIM_OC2PreloadConfig 
	#define  BRE_CCRx                       CCR2

	#define   BRE_TIMx_IRQn                TIM3_IRQn              //中断
	#define   BRE_TIMx_IRQHandler          TIM3_IRQHandler

#elif LIGHT_COLOR == GREEN_LIGHT
/************绿灯***************/
	#define   BRE_TIMx                      TIM3

	#define   BRE_TIM_APBxClock_FUN        RCC_APB1PeriphClockCmd
	#define   BRE_TIM_CLK                   RCC_APB1Periph_TIM3
	#define   BRE_TIM_GPIO_APBxClock_FUN   RCC_APB2PeriphClockCmd
	#define   BRE_TIM_GPIO_CLK              (RCC_APB2Periph_GPIOB)

	//绿灯不需要重映射
	#define   BRE_GPIO_REMAP_FUN()				


	#define  BRE_TIM_LED_PORT               GPIOB
	#define  BRE_TIM_LED_PIN                GPIO_Pin_0

	#define  BRE_TIM_OCxInit                TIM_OC3Init            //通道选择，1~4
	#define  BRE_TIM_OCxPreloadConfig       TIM_OC3PreloadConfig 
	#define  BRE_CCRx                       CCR3

	#define   BRE_TIMx_IRQn                TIM3_IRQn              //中断
	#define   BRE_TIMx_IRQHandler          TIM3_IRQHandler

#elif LIGHT_COLOR == BLUE_LIGHT
/************蓝灯***************/
	#define   BRE_TIMx                      TIM3

	#define   BRE_TIM_APBxClock_FUN        RCC_APB1PeriphClockCmd
	#define   BRE_TIM_CLK                   RCC_APB1Periph_TIM3
	#define   BRE_TIM_GPIO_APBxClock_FUN   RCC_APB2PeriphClockCmd
	#define   BRE_TIM_GPIO_CLK              (RCC_APB2Periph_GPIOB)

	//蓝灯不需要重映射
	#define   BRE_GPIO_REMAP_FUN()	

	#define   BRE_TIM_LED_PORT             GPIOB
	#define   BRE_TIM_LED_PIN              GPIO_Pin_1

	#define   BRE_TIM_OCxInit              TIM_OC4Init            //通道选择，1~4
	#define   BRE_TIM_OCxPreloadConfig    TIM_OC4PreloadConfig 
	#define   BRE_CCRx                      CCR4

	#define   BRE_TIMx_IRQn                TIM3_IRQn              //中断
	#define   BRE_TIMx_IRQHandler          TIM3_IRQHandler
	

#endif



void      TIMx_Breathing_Init          (void);



#endif /* __PWM_BREATHING_H */

breathing.c

#include "./breathinglight/bsp_breathing.h"


//控制输出波形的频率
__IO uint16_t period_class = 10;

/* LED亮度等级 PWM表,指数曲线 ，此表使用工程目录下的python脚本index_wave.py生成*/
uint16_t indexWave[] = {
1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 2, 3, 3, 4,
4, 5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13,
15, 17, 19, 22, 25, 28, 32, 36,
41, 47, 53, 61, 69, 79, 89, 102,
116, 131, 149, 170, 193, 219, 250,
284, 323, 367, 417, 474, 539, 613,
697, 792, 901, 1024, 1024, 901, 792,
697, 613, 539, 474, 417, 367, 323,
284, 250, 219, 193, 170, 149, 131, 
116, 102, 89, 79, 69, 61, 53, 47, 41,
36, 32, 28, 25, 22, 19, 17, 15, 13, 
11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 5, 4, 4, 3, 3,
2, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 1
	
};

//计算PWM表有多少个元素
uint16_t POINT_NUM = sizeof(indexWave)/sizeof(indexWave[0]); 


 /**
  * @brief  配置TIM复用输出PWM时用到的I/O
  * @param  无
  * @retval 无
  */
static void TIMx_GPIO_Config(void) 
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  /*  clock enable */
  RCC_APB2PeriphClockCmd(BRE_TIM_GPIO_CLK, ENABLE); 
  BRE_TIM_GPIO_APBxClock_FUN  ( BRE_TIM_GPIO_CLK, ENABLE );
		
	BRE_GPIO_REMAP_FUN();  

  /* 配置呼吸灯用到的引脚 */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  BRE_TIM_LED_PIN ;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;	// 复用推挽输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

  GPIO_Init( BRE_TIM_LED_PORT, &GPIO_InitStructure );
}


/**
  * @brief  配置嵌套向量中断控制器NVIC
  * @param  无
  * @retval 无
  */
static void NVIC_Config_PWM(void)
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  
  /* Configure one bit for preemption priority */
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
  
  /* 配置TIM3_IRQ中断为中断源 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = BRE_TIMx_IRQn;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

/**
  * @brief  配置TIM输出的PWM信号的模式，如周期、极性
  * @param  无
  * @retval 无
  */

static void TIMx_Mode_Config(void)
{
	TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
	TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;																				
	
	
	/* 设置TIM3CLK 时钟 */
	BRE_TIM_APBxClock_FUN ( BRE_TIM_CLK, ENABLE ); 
	
	/* 基本定时器配置 ,配合PWM表点数、中断服务函数中的period_cnt循环次数设置*/	
	
	/* 设置使得整个呼吸过程为3秒左右即可达到很好的效果 */	
	
	//要求：
	//TIM_Period：与PWM表中数值范围一致
	//TIM_Prescaler：越小越好，可减轻闪烁现象
	//PERIOD_CLASS：中断服务函数中控制单个点循环的次数，调整它可控制拟合曲线的周期
	//POINT_NUM：PWM表的元素，它是PWM拟合曲线的采样点数

	/*************本实验中的配置***************/	
	/***********************************************
	#python计算脚本	count.py
	#PWM点数
	POINT_NUM = 110

	#周期倍数
	PERIOD_CLASS = 10

	#定时器定时周期
	TIMER_TIM_Period = 2**10
	#定时器分频
	TIMER_TIM_Prescaler = 200

	#STM32系统时钟频率和周期
	f_pclk = 72000000
	t_pclk = 1/f_pclk

	#定时器update事件周期
	t_timer = t_pclk*TIMER_TIM_Prescaler*TIMER_TIM_Period

	#每个PWM点的时间
	T_Point = t_timer * PERIOD_CLASS

	#整个呼吸周期
	T_Up_Down_Cycle = T_Point * POINT_NUM

	print ("呼吸周期：",T_Up_Down_Cycle)
	
	#运行结果：
	
	呼吸周期：3.12888
	************************************************************/

  /* 基本定时器配置 */		  
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = (1024-1);;       							  //当定时器从0计数到 TIM_Period+1 ，为一个定时周期
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = (200-1);	    							//设置预分频
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1 ;			//设置时钟分频系数：不分频(这里用不到)
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  	//向上计数模式
  TIM_TimeBaseInit(BRE_TIMx, &TIM_TimeBaseStructure);

  /* PWM模式配置 */
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;	    				//配置为PWM模式1
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;	//使能输出
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;				 						  			//设置初始PWM脉冲宽度为0	
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;  	  //当定时器计数值小于CCR1_Val时为低电平

  BRE_TIM_OCxInit ( BRE_TIMx, &TIM_OCInitStructure );	 									//使能通道
	

  BRE_TIM_OCxPreloadConfig ( BRE_TIMx, TIM_OCPreload_Enable );						//使能预装载	

  TIM_ARRPreloadConfig(BRE_TIMx, ENABLE);			 										//使能TIM重载寄存器ARR

  /* TIM3 enable counter */
  TIM_Cmd(BRE_TIMx, ENABLE);                   										//使能定时器	
	
	TIM_ITConfig(BRE_TIMx, TIM_IT_Update, ENABLE);										//使能update中断
		
	NVIC_Config_PWM();																					//配置中断优先级		
	
}

/**
  * @brief  TIM 呼吸灯初始化
  *         配置PWM模式和GPIO
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void TIMx_Breathing_Init(void)
{
	TIMx_GPIO_Config();
	TIMx_Mode_Config();	
}

/*********************************************END OF FILE**********************/

其他配置：

40.5 呼吸灯及输出 SPWM 波实验

呼吸灯例程和输出 SPWM 波实验的工程基本一样，只是控制使用的的 PWM 表不同，一个为呼吸特性曲线，另一个为正弦半波曲线。

5.1 编程要点

在单色呼吸灯的基础上，增加 PWM 输出通道，三个通道分别控制红绿蓝颜色；
编写中断服务函数，增加对拟合波形幅值的控制；
计算获取新的 PWM 数据表；

5.2 代码分析

5.2.1 LED 灯硬件相关宏定义

5.2.2 初始化 GPIO

5.2.3 定义 PWM 表

5.2.4 定时器 PWM 配置

5.2.5 定时器中断服务函数

5.2.6 计算拟合波形的周期

本工程相对单色呼吸灯例程增加了电压分级 AMPLITUDE_CLASS，结合前面的 TIMPeriod、PWM表的点数、TIM_Prescaler 以及 period_cnt 参数，重新总结如下：

• PWM 表的点数：PWM 表的点数即对拟合曲线的采样点数，采样点越多，能更好地还原拟曲线，采样点太少，可能会导致失真，见图对呼吸特性曲线采样 110 个和 10 个点时的情况。

• period_class：PWM 表中每个元素的循环次数，它影响拟合曲线的周期。当 period_class=1时，可以输出本配置中周期最短的拟合曲线。

• AMPLITUDE_CLASS：电压分级数，它可以把输出拟合曲线的幅值分成 N 个等级，控制时可以选择按某个幅值等级进行输出，可根据实际情况进行分级，如本实验中分级为与 RGB888各通道一致的 256 等级，若只需要支持 RGB555 格式，那么 AMPLITUDE_CLASS 配置为32 即可。

以上各个参数虽然侧重点不同，但若修改其中的任何一个，最终都会影响到所拟合曲线的周期，所以在实际应用中，通常先设定好 TIMPeriod、TIM_Prescaler、PWM 表的点数以及幅值等级数AMPLITUDE_CLASS，得到适合的控制精度、动态特性拟合度以及幅值等级后，然后再调整 pe-riod_class 控制拟合曲线的周期，而且 period_class 在程序中动态修改非常方便，不需要重置定时器和 PWM 表。

最终，我们把本工程配置中的拟合曲线周期计算公式概括如下：

(5) STM32 系统时钟默认频率和周期：f_pclk = 72000000 t_pclk = 1/f_pclk

(6) 定时器 update 事件周期，即定时器中断周期：