【STM32学习】——定时器输出比较功能&PWM脉宽调制&通用/高级定时器输出比较通道&舵机/直流电机简介&PWM驱动呼吸灯/舵机/直流电机代码实操

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声明：学习笔记根据b站江科大自化协stm32入门教程编辑，仅供学习交流使用！

前言

定时器输出比较功能比较重要，主要用来输出PWM波形，PWM波形又是驱动电机的必要条件，智能车、机器人的电机都可能用到！！
本次学习有三个实操，分别是PWM驱动LED呼吸灯、PWM驱动舵机、PWM驱动直流电机。

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一、输出比较简介

1、OC（Output Compare）输出比较，IC（Input Capture）为输入捕获，CC（Capture/Compare）一般表示输入捕获和输出比较的单元！
2、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或翻转的操作，用于输出一定频率和占空比的PWM波形。（可参考上节通用定时器或高级定时器图如上图）CNT为时基单元里的计数器，CCR即捕获/比较寄存器（输入捕获和输出比较共用的）。输出比较时，电路会比较CNT和CCR的值，CNT计数自增，CCR是我们给定的一个值，当CNT>CCR、 3、每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输出比较通道，且高级定时器的前3个通道额外拥有死区生成和互补输出的功能

二、PWM波形

PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制
在具有惯性的系统中，可以通过对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，常应用于电机控速等领域。也就是用来等效地实现一个模拟信号的输出（左图虚线余弦），也就是最开始提出的问题：数字输出端口控制LED，按理说只有完全亮和完全灭两种状态，但通过PWM就可实现呼吸灯，当不断点亮熄灭点亮熄灭…的频率足够大时就不会时闪烁而是呈现中等亮度！！

但是PWM波的应用场景必须是一个惯性系统，就是LED在熄灭时由于余晖和人眼视觉暂留现象，LED不会立马熄灭而是具有一定惯性，电机也是同样。
PWM参数：
频率 = 1 / TS 。一般在几十——几十千
占空比 = TON / TS
分辨率 = 占空比变化步距。分辨率是指输出电压梯度，而频率是指输出变化的次数，例如LED的分辨率为1%即说明LED的亮度时1%亮、2%亮、3%…一直到100%亮。
基本结构：

时基单元部分配置与上节相似，只不过更新事件的中断申请不再需要了，输出PWM暂时不需要中断，配置完了时基单元，CNT就可开始不断自增运行。
下面为输出比较单元，总共有4路，CNT不断自增的同时与CCR不断进行比较，此图为PWM模式1的执行逻辑（REF怎么置），右上角蓝线为CNT的值，黄线为ARR的值，蓝线从0开始自增一直到黄线ARR即99，之后清零继续自增，再设置一条红线CCR（此处为30），之后根据执行逻辑1得到绿色线输出，图中的REF就是一个频率可调，占空比也可调的PWM波形，再经过极性选择输出使能通向GPIO口完成PWM波的输出！！
参数计算：
PWM频率： Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
PWM占空比： Duty = CCR / (ARR + 1)
PWM分辨率： Reso = 1 / (ARR + 1)

三、输出比较通道

普通定时器没有这些通道，通用和高级的有！！

1.通用定时器

CNT计数器与CRR1第一路的捕获/比较寄存器进行比较后，当>或=时会给输出模式控制器传一个信号，然后该控制器会改变输出oc1ref的高低电平（ref为reference的缩写，意思为参考信号），ETRF输入为定时器的一个小功能，一般不用！ref信号可前往主模式控制器，可以把REF映射到主模式的TRGO的输出上，但主要去向为下面的极性选择，给CC1P寄存器写0信号会往上走即信号电平不反转，写1经过非门反转后到输出使能电路，输出使能电路选择要不要输出，最后OC1引脚是CH1通道的引脚，在引脚定义表里可知道具体是哪个GPIO口了！
输出比较八种模式：

注：可把有效电平当作高电平，无效电平当作低电平；输出波形频率=更新频率/2，因为更新两次输出才为1个周期。

2.高级定时器

这个先了解下就行！！与通用定时器不同的只有红圈内的电路。以前在介绍高级定时器时也有相关介绍

三、外设简介

1.舵机

舵机是一种根据输入PWM信号占空比来控制输出角度的装置
输入PWM信号要求：周期为20ms，高电平宽度为0.5ms~2.5ms

第二个图为拆解图，舵机并不是一个单独的直流电机，舵机内部电板是一个控制电路板，PWM信号输入到控制板，给控制板一个指定的目标角度，然后电位器检测输出轴的当前角度，如果大于目标角度电机反转，小于的话电机正转，最终使输出轴固定在指定角度！！
周期20ms指第一个上升沿到下一个上升沿的时间，0.5ms、1ms等指高电平的时间，这里的PWM波形被当作一个通信协议使用，与之前说的等效一个模拟输出关系不大！！
机器人关节，小车小船方向！！

一般推荐单独供电，供电的负极要与stm32共地，5v供电可从STLINK的5V输出引脚引一根线，如果没有单独供电条件要看电源功率是否达标，不达标驱动会遇到问题！

2.直流电机

直流电机是一种将电能转换为机械能的装置，有两个电极，当电极正接时，电机正转，当电极反接时，电机反转。
直流电机属于大功率器件，GPIO口无法直接驱动，需要配合电机驱动电路来操作。
TB6612是一款双路H桥型的直流电机驱动芯片（如下图两个推挽电路组合），可以驱动两个直流电机并且控制其转速和方向，舵机就不需要了内部有驱动电路。其他还有DRV8833、L9110、L298N等等。还有一些用分离元件MOS管搭建的电路，这种的功率可以做得更大！！

硬件电路，VM一般与电机额定电压保持一致，VCC与stm32保持一致3.3v；3个GND一样随便选一个；AO1、AO2、BO2、BO1为两路电机的输出，PWMA、AIN2、AIN1三个引脚控制A路电机，PWMA要接输出PWM波的GPIO口，B路电机同理；最后STBY（stand by）为待机控制脚，如果接GND芯片就不工作处于待机状态，若接VCC则正常工作：

右下角这个表说明了怎么控制正反转等！！
更多详细内容可多参考芯片手册！！

四、实操案例

1.PWM驱动LED呼吸灯

LED接线采用正极性驱动，即输出高电平点亮，现象更加直观，即占空比越大LED越亮反之越暗：

//PWM.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
//初始化，也是根据PWM基本结构图把每个环节打通：
//1、RCC开启时钟，打开要用的TIM外设和GPIO外设的时钟
//2、配置时基单元，包括图中未画出的时钟源选择
//3、配置输出比较单元，包括CCR的值、输出比较模式、极性选择、输出使能这些参数（库函数也是用结构体统一配置）
//4、配置GPIO，把PWM对应的GPIO口初始化为复用推挽输出的配置，对应关系可参考引脚定义表
//5、运行控制，启动计数器就可以输出PWM波了
void PWM_Init(void){//上半部分可借鉴定时器中断
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE );//使用APB1的开启时钟函数，因为TIM2位APB1总线的外设
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);//选择内部时钟
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision= TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode= TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period= 10000-1;//ARR自动重装器的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler= 7200-1;//PSC预分频器的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter= 0 ;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
	TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);//给结构体赋初始值
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode= TIM_OCMode_PWM1;//Timing冻结模式、Active相等时置有效电平、Inactive相等置无效电平、Togg相等时电平翻转、PWM1、PWM2
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity= TIM_OCNPolarity_High;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState= TIM_OutputState_Enable;
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse= 0;//CCR寄存器的值，与上ARR和PSC值共同决定PWM的周期和占空比，此处为1KHz、占空比待定
	TIM_OC1Init(TIM2,&TIM_OCInitStructure);
	
	//GPIO配置，需要参照引脚定义表，IO口默认复用功能、重映射位置，哪个对应哪个是定死的
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);//可放在最上面，这里为了便于分块理解就放这里
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;//复用开漏/推挽输出模式，
	//因为对于普通的开漏/推挽输出引脚的控制权来自输出数据寄存器，
	//如果想用定时器控制引脚需要使用复用开漏/推挽输出模式（前期文章），这里输出数据寄存器断开的，控制权移交给片上外设
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
	TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);//启动定时器，PWM通过PA0输出
}

void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare){//为了不断更改占空比，达到呼吸灯目的的函数
	TIM_SetCompare1(TIM2,Compare);//该函数可单独修改CCR的值，不断改变占空比	，参数在main.c中利用for循环赋予
}

//PWM.h
#ifndef __PWM_H
#define __PWM_H
void PWM_Init(void);
void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare);
#endif

//main.c
#include "stm32f10x.h"   // Device header
#include "Delay.h"   
#include "OLED.h"
#include "PWM.h"

uint8_t i;

int main(void){
	OLED_Init();
	PWM_Init();
	
	while(1){
		for (i=0;i<=100;i++){
			PWM_SetCompare1(i);//不断更改CCR，以改变占空比（占空比由CCR和ARR共同决定，ARR为100一直不变），逐渐变亮
			Delay_ms(10);//防止太快
		}
		for (i=0;i<=100;i++){
			PWM_SetCompare1(100-i);//不断更改CCR以改变占空比，逐渐变暗
			Delay_ms(10);//防止太快
		}
	}
}

补充：试验下刚才所说的引脚重映射，例如引脚定义表上TIM2的CH1可以从PA0挪到PA15引脚上，怎么操作？需要用到AFIO
如果想让PA15、PB3、PB4三个引脚当作GPIO使用：
1、开启AFIO的时钟（第一句）
2、再用AFIO将JTAG复用解除掉（第三句）
如果想重映射定时器或者其他外设的复用引脚：
1、打开AFIO时钟（第一句）
2、再用AFIO重映射外设复用的引脚（第二句）
如果重映射的引脚正好是调试端口，三句代码都要！！
1、打开AFIO时钟
2、重映射引脚
3、解除调试端口

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2 ,ENABLE);//引脚重映射函数，手册第8章8.3复用功能I/O和调试配置（AFIO）
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable,ENABLE);//解除PA15调试端口的复用

2.PWM驱动舵机

//PWM.c
//与驱动呼吸灯大同小异
#include "stm32f10x.h"                  
void PWM_Init(void){
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE );
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision= TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode= TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period= 20000-1;//ARR不同
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler= 72-1;//PSC不同
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter= 0 ;//CCR（500-2500，对应0.5-2.5ms，对应0-180°
	TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
	TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode= TIM_OCMode_PWM1;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity= TIM_OCNPolarity_High;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState= TIM_OutputState_Enable;
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse= 0;
	TIM_OC2Init(TIM2,&TIM_OCInitStructure);//不同点，OC2通道2配置
	
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;//不同点，用的是PA1口的通道2
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
	TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);
}

void PWM_SetCompare2(uint16_t Compare){//不同点，改为compare2
	TIM_SetCompare2(TIM2,Compare);//不同点，改为compare2
}

//Servo.c
#include "stm32f10x.h"                 
#include "PWM.h"

//为了使PWM输出与舵机角度的对应关系更加直观，特封装此.c文件
void Servo_Init(){
	PWM_Init();
	
}
//0°   500
//180° 2500
void Servo_SetAngle(float Angle){
	PWM_SetCompare2(Angle/180*2000 + 500);//角度到CCR值的映射
	
	
}

//main.c
#include "stm32f10x.h"   
#include "Delay.h"   
#include "OLED.h"
#include "Servo.h"
#include "key.h"
uint8_t KeyNum;
float Angle;//默认为0

int main(void){
	OLED_Init();
	Servo_Init();
	Key_Init();
	
	OLED_ShowString(1,1,"Angle:");
	
	while(1){
		KeyNum = Key_GetNum();
		if (KeyNum == 1){
			Angle +=30;//每按一下按键加30°
			if(Angle > 180){
				Angle = 0;
			}
		}
		Servo_SetAngle(Angle);
		OLED_ShowNum(1,7,Angle,3);//Angle：字符占了6列
	}
}

3.PWM驱动直流电机

//PWM.c
//同样与呼吸灯大同小异
#include "stm32f10x.h"                  
void PWM_Init(void){
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE );
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision= TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode= TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period= 10000-1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler= 7200-1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter= 0 ;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
	TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode= TIM_OCMode_PWM1;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity= TIM_OCNPolarity_High;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState= TIM_OutputState_Enable;
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse= 0;
	TIM_OC3Init(TIM2,&TIM_OCInitStructure);//不同点，通道3
	
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
 	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;//不同点，电机接在通道3
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
 	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
	
	TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);
}

void PWM_SetCompare3(uint16_t Compare){//不同点，通道3
	TIM_SetCompare3(TIM2,Compare);
}

//Motor.c
#include "stm32f10x.h"                  
#include "PWM.h"

void Motor_Init(void){
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4| GPIO_Pin_5;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);//初始化电机方向控制引脚
	
	PWM_Init();
}

void Motor_SetSpeed(int8_t Speed){//该函数参数可+可-
	if(Speed >= 0){//正转
		//方向设置
		GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);
		GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5);
		//速度设置
		PWM_SetCompare3(Speed);
	}
	else{
		//方向设置
		GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_5);
		GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_4);
		//速度设置
		PWM_SetCompare3(-Speed);//该函数参数为无符号数，Speed为负，-Speed为正
	}
}

//main.c
#include "stm32f10x.h"   // Device header
#include "Delay.h"   
#include "OLED.h"
#include "Motor.h"
#include "key.h"

uint8_t KeyNum;
int8_t Speed;

int main(void){
	OLED_Init();
	Motor_Init();
	Key_Init();
	
	OLED_ShowString(1,1,"Speed:");
	
	while(1){
		KeyNum = Key_GetNum();//按键控制速度-100~100
		if (KeyNum == 1){
			Speed +=20;
			if (Speed >100){
				Speed = -100;
			}
		}
		Motor_SetSpeed(Speed);
	//电机旋转时会发出蜂鸣器的声音，这是因为PWM频率在人耳范围导致的，可通过改变预分频PSC完善
		OLED_ShowNum(1,7,Speed,3);
	}
}

总结

电机正反转的更改可以改变接线，也可以改变代码！在实操时注意与上面的理论相结合，三个实操之间也可对比学习，有助于加深理解！！
遇到挫折，要有勇往直前的信念，马上行动，坚持到底，决不放弃，成功者决不放弃，放弃者绝不会成功。成功的道路上，肯定会有失败；对于失败，我们要正确地看待和对待，不怕失败者，则必成功；怕失败者，则一无是处，会更失败。

往期精彩：
STM32定时中断
STM32外部中断
STM32GPIO精讲
…