《STM32单片机开发应用教程(HAL库版)—基于国信长天嵌入式竞赛实训平台（CT117E-M4）》第四章4.8 TIM---PWM输出实验
写在前面——
《STM32单片机开发应用教程(HAL库版)—基于国信长天嵌入式竞赛实训平台（CT117E-M4）》第四章4.8 TIM—PWM输出实验，讲解TIM 定时与PWM输出的STM32CubeMX配置和程序设计方法
官方例程下载：https://pan.baidu.com/s/1QC5BnDgY1m1me6-ihQ_OUQ?pwd=nqb1
提取码：nqb1
目录
- 4.8 TIM---PWM输出实验
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- 4.8.1. 实验任务
- 4.8.2. TIM原理解析
- 4.8.3. TIM定时作用
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- 1. 初始化配置（STM32CubeMX）
- 2. 应用程序设计（KEIL5）
- 4.8.4. PWM输出
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- 1. 初始化配置（STM32CubeMX）
- 2. 可修改频率、占空比的PWM波
- 3. 小练习
- 4.8.5. 小结
4.8 TIM—PWM输出实验
4.8.1. 实验任务
- TIM定时作用：参考官方例程HAL_10_TIM_BASE，实现流水灯。
- TIM PWM输出：产生PWM波（频率固定、占空比可调），实现呼吸灯
- TIM PWM输出：可调频率/占空比的PWM波
4.8.2. TIM原理解析
定时器(Timer)最基本的功能就是定时，可以延伸到测量输入信号的脉冲长度(输入捕获)或者产生输出波形(输出比较和PWM)等。
STM32G4 的定时器功能十分强大，共有10个定时器：
表1 定时器类型
查看STM32G431RB数据手册（资料包芯片手册中），可获得各个定时器通道的引脚分布，如
可以汇总为表2：
STM32G431的通用 TIMx定时器功能特点包括：
16 /32 位向上、向下、向上/向下(中心对齐)计数模式，自动装载计数器（TIMx_CNT）。
16 位可编程(可以实时修改)预分频器(TIMx_PSC)，计数器时钟频率的分频系数 为 1～65535 之间的任意数值。
4 个独立通道（TIMx_CH1~4）
计数器模式
通用定时器可以向上计数、向下计数、向上向下双向计数模式。
向上计数模式：计数器从0计数到自动加载值(TIMx_ARR)，然后重新从0开始计数并且产生一个计数器溢出事件。
向下计数模式：计数器从自动装入的值(TIMx_ARR)开始向下计数到0，然后从自动装入的值重新开始，并产生一个计数器向下溢出事件。
中央对齐模式（向上/向下计数）：计数器从0开始计数到最大值，产生一个计数器溢出事件，然后向下计数到1并且产生一个计数器溢出事件；然后再从0开始重新计数。
定时时间计算
基本定时器计数过程主要涉及到三个寄存器内容，分别是计数器寄存器(TIMx_CNT)、预分频器寄存器(TIMx_PSC)、自动重载寄存器(TIMx_ARR)，这三个寄存器都是 16 位有效数字，即可设置值为 0 至 65535。
CNT表示当前计数值，ARR是自动重载的最大计数值。PSC是分频系数，对定时器时钟AB1或AB2进行分频，得到当前计数器的频率。）
首先设置预分频器寄存器TIMx_PSC (简写成PSC)，得到分频后的频率，频率的倒数就是周期时长。如，定时器时钟fCK_PSC =80MKz、(PSC+1)设为(7999+1)，这样fCK_CNT /(PSC+1)分频后的频率值就为10kHz，每一个周期时长也就是0.1ms。
fCK_CNT = fCK_PSC/(PSC+1) // fCK_PSC为定时器时钟频率，来自APB1或者APB2。
再把把（ARR+1)设为(9999+1)。这样我们得到的定时时长就是1s。
Tout（定时时间）=（ARR+1)(PSC+1)/ fCK_PSC
PWM波输出
PWM 输出就是产生一个周期的方波信号，频率、占空比（高电平占总周期的比值）是它的关键参数。
如下图，假定定时器工作在向上计数PWM模式，且当 CNT（当前计数值）
STM32G431 定时器可以用来产生 PWM 输出，其中高级定时器 TIM1 可以输出 4 路。而通用定时器（TIM2、TIM3、TIM4）也可同时产生多达 4 路的 PWM 输出。
通常单片机GPIO口只能输出高电平和低电平，可以利用PWM波，通过改变PWM方波的占空比，从而获得不同的模拟电压值。如，100%对应5v，0%对应0v，50%对应2.5v。
因此，利用PWM波，可以实现呼吸灯（电压值变化，导致LED亮度强弱变化）、电机调速（电压值变化，导致电机速度变化）等。
4.8.3. TIM定时作用
定时器(Timer)最基本的功能就是定时，这里以官方例程HAL_10_TIM_BASE为例，阐述TIM定时作用的设计方法，实现流水灯。
定时器的定时设计方法：
参数配置：PSC、ARR，开启定时中断。可采用STM32CubeMX或者程序设计来实现。
main.c中调用TIM初始化语句、开启定时中断HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1)。
编写中断回调函数HAL_TIM_PeriodElapsedCallback，实现功能要求。
1. 初始化配置（STM32CubeMX）
定时器的参数配置，可以首先使用STM32CubeMX进行初步设置。还可以在程序设计时，进行二次修改。
以TIM3为例，配置出1HZ的频率，也就是1s发生一次溢出中断。
80MHZ经过PSC分频，80MHZ/(7999+1) ，得到10KHZ的时钟频率（周期0.0001s）。ARR设为10K-1，则计数10K次，产生溢出中断，即实现1s的计时 。
STM32CubeMX配置，如下图：
2. 应用程序设计（KEIL5）
1）定时器参数配置二次修改、初始化
如上，STM32CubeMX参数配置完成后，在工程项目中生成对应的初始化函数MX_TIM1_Init()，并在main.c中自动调用。该函数包含了CubeMX所配置的各项参数。
PSC、ARR等参数，还可以通过对函数MX_TIM1_Init()内部参数进行二次修改，如，官方例程HAL_10_TIM_BASE中：
如上图，其与前述STM32CubeMX中TIM1设置不一样，也就是说MX_TIM1_Init()内部参数可以进行二次修改。PSC=1000，ARR=79，也就是实现近似1/1000s=0.001s计时。
2）开启定时器中断
定时器初始化配置后，还需要开启定时器中断，使用函数 HAL_TIM_Base_Start_IT (&htim1);其中htim1表示定时器TIM1，定义方法：TIM_HandleTypeDef htim1。通常，通过STM32CubeMX配置TIM1后，在time.c文件中自动定义，直接使用它即可。
3）编写中断回调函数
中断回调函数HAL_TIM_PeriodElapsedCallback（）是实现TIM定时的关键。按照其设计框架，需要手动编写其代码，实现不同功能要求。
从定时器中断原理来说，每个定时器中断，就执行其中断服务函数HAL_TIM_IRQHandler（在库stm32g4xx_hal_tim.c中已定义）。中断服务函数HAL_TIM_IRQHandler，由HAL库提供，无需用户编辑，但其内部自动执行中断回调函数HAL_TIM_PeriodElapsedCallback。
因此，我们需要编写中断回调函数HAL_TIM_PeriodElapsedCallback，以实现不同功能要求。如官方例程HAL_10_TIM_BASE中，使用TIM1，实现0.1s流水灯效果。中断回调函数HAL_TIM_PeriodElapsedCallback代码编辑为：
/* USER CODE BEGIN 0 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
static uint16_t counter = 0;
static uint16_t led = 0x0001, i = 0, dir = 0;
if(++counter == 100){
counter = 0;
GPIOC->ODR = ~(led << (8 + i));
GPIOD->BSRR |= GPIO_PIN_2;
__nop();__nop();__nop();
GPIOD->BRR |= GPIO_PIN_2;
if(dir == 0){
if(++i == 7){
dir = 1;
}
}else{
if(--i == 0){
dir = 0;
}
}
}
//HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);
}
/* USER CODE END 0 */
前面参数配置中，实现了定时器0.001s计时，也就是说0.001s发生一次中断，每0.001s执行一次中断回调函数HAL_TIM_PeriodElapsedCallback。因此，中断回调函数内部每100次执行一次LED显示、移位操作，从而实现0.001s *100=0.1s流水灯。
4.8.4. PWM输出
这里，要求实现（固定频率，占空比可调：呼吸灯）：初始化定时器定时10ms，输出PWM，使LED1闪烁。
1. 初始化配置（STM32CubeMX）
STM32CubeMX中，对定时器PWM方式配置分成2个方面：
1）PWM输出引脚的设定
LED1对应的GPIO是PC8，查阅STM32G431RB数据手册，PC8可用的定时器可用TIM3的通道3。若选用其他GPIO输出PWM，同理，还得查阅该手册，找到合适的TIM通道：
STM32CubeMX中设置PC8输出方式为TIM3_CH3。PD2设置为Output。
其他GPIO、SYS、时钟树（80MHz）配置参考前述。（图略）
2）TIM3的PWM方式配置
如下图，STM32CubeMX中对TIM3的PWM设置。
其中，TIM3的定时周期配置成10ms（PSC=7999，ARR=99），才能达到呼吸灯显示效果，否则呼吸灯显示不明显。
其中，PWM mode1和mode2的概念：
模式1和模式2区别不大，选用模式1即可。
上图中，占空比默认为0，后面在程序设计中可修改。
3）main.c程序设计
与PWM相关的函数有4个：
回调函数： void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim);
开启PWM： HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
停止PWM ：HAL_TIM_PWM_Stop(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
配置占空比：__HAL_TIM_SetCompare (&htim3,TIM_CHANNEL_3, i);//i取值0~ARR
设置自动重装值： __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(htim, arr)
这里，主要使用开启PWM、配置占空比2个函数，实现呼吸灯效果。main函数的程序设计如下：
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_TIM3_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);//关闭锁存器
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_3);//使能定时器3的通道3,产生PWM
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET);//开启锁存器
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_All, 1);//先全部关闭LED
uint16_t i=0;
for(i=0;i<100;i++){__HAL_TIM_SetCompare(&htim3,TIM_CHANNEL_3,i);HAL_Delay(20);}
for(i=100;i>0;i--) {__HAL_TIM_SetCompare(&htim3,TIM_CHANNEL_3,i); HAL_Delay(20);}
HAL_GPIO_WritePin(GPIOD, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET);//关闭锁存器
}
}
其中，HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_3)开启PWM输出，就是在引脚上输出所设定的PWM波。
__HAL_TIM_SetCompare(&htim3,TIM_CHANNEL_3,i)，通过i的变化，使PWM波占空比变化，，LED显示出呼吸灯效果。
编译、下载该程序，可实现固定频率，占空比可调的PWM波输出，显示呼吸灯效果。
2. 可修改频率、占空比的PWM波
部分题目要求实现频率和占空比都可调节的PWM波，那么，在STM32CubeMX配置中略作修改。
如下图，在STM32CubeMX中，对TIM设置成可修改频率和占空比：
则，程序设计可使用以下2个宏定义函数，进行参数修改：
- 设置自动重装值： __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD (&htim3, arr)
通过设置自动重装值，可获得PWM信号周期为Tpwm=（arr+1)(PSC+1)/ 80MHz，其中PSC由CubeMX配置（也可以TIM初始化程序中二次修改）。 - 配置占空比：__HAL_TIM_SetCompare (htim, Channel, cmp);// cmp取值范围0~arr
占空比=cmp/(arr+1)。
如，在main.c中编辑函数TIM_Proc()：
void TIM_Proc(void)
{
__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD (&htim3, 9999);
__HAL_TIM_SetCompare (&htim3, TIM_CHANNEL_3, 2000);
}
最后在while中调用TIM_Proc()，就可以实现TIM3_CH1输出的PWM波，频率为100Hz（PSC=79，ARR=9999），占空比为20%（2000/(ARR+1)）。
一般题目中测量PWM波要求使用PA6或PA7引脚。查询TIM引脚分布，可选择PA6–》TIM3_CH1，PA7–》TIM3_CH2。STM32CubeMX配置和程序设计方法，参看前述。
使用示波器，就可以从PA6、PA7观测PWM波，或者打开KEIL仿真功能，检测PA6、PA7的输出波形。
3. 小练习
第十二届蓝桥杯嵌入式省赛对PWM的考察为例，PWM部分要求：
设计思路：
1） STM32CubeMX中配置PA7–》TIM3_CH2输出PWM波：2KHz（PSC=399，ARR=99）
2）利用函数__HAL_TIM_SetCompare (&htim3,TIM_CHANNEL_2,20)，实现20%占空比。
注意开启PWM：HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1)
3） 按键切换控制，参看4.3节按键控制程序设计（按键扫描函数Key_scan，按键服务函数Key_proc）
4.8.5. 小结
STM32CubeMX配置：输出引脚，TIMx_CHx，PSC，ARR
TIM定时和PWM输出，对应的函数有所不同。
- TIM定时（中断方式）的库函数：
开启定时中断：HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Start_IT(TIM_HandleTypeDef *htim);
关闭定时中断：HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Stop_IT(TIM_HandleTypeDef *htim);
中断回调函数：HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(htim); - PWM的库函数/宏定义（_HAL）：
回调函数 void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim);
开启PWM HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
停止PWM HAL_TIM_PWM_Stop(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
配置占空比： __HAL_TIM_SetCompare (htim, Channel, cmp);
设置自动重装值ARR： __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD (&htim3, arr);