使用STM32输出PWM波形

本文目的是通过在STM32平台上采用定时器的方法输出PWM波形，进而熟悉和掌握PWM的原理和产生。

（一）PWM简介

1.关于PWM

• 含义
  PWM（Pulse Width Modulation）即脉冲宽度调制，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术；它是一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。
• 基本原理
  PWM就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也可以这样理解，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。
• 优点及应用范围
  由于其控制简单、灵活和动态响应好等优点而成为电力电子技术应用最广泛的控制方式，其应用领域包括测量，通信， 功率控制与变换，电动机控制、伺服控制、调光、开关电源，甚至某些音频放大器，因此学习PWM具有十分重要的现实意义。

2.STM32上的PWM

• PWM产生
  STM32的定时器除了TIM6和7，其他的定时器都可以用来产生PWM输出。其中高级定时器TIM1和TIM8可以同时产生多达 7 路的 PWM 输出。而通用定时器也能同时产生多达 4路的 PWM 输出，这样，STM32 最多可以同时产生 30 路 PWM 输出。
  脉冲宽度调制模式可以产生一个由TIMx_ARR寄存器确定频率、由TIMx_CCRx寄存器确定占空比的信号。通用定时器产生PWM 的定时器框图如下：（其他定时器框图类似）
  

• PWM相关寄存器
  包含三个寄存器：捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMR1/2）、捕获/比较使能寄存器（TIMx_CCER）、捕获/比较寄存器（TIMx_CCR1~4）。设置TIMx_CCMRx寄存器OCxPE位以使能相应的预装载寄存器，最后还要设置TIMx_CR1寄存器的ARPE位，(在向上计数或中心对称模式中)使能自动重装载的预装载寄存器。在TIMx_CCMRx寄存器中的OCxM位写入110(PWM模式1)或111(PWM模式2)，能够独立地设置每个OCx输出通道产生一路PWM。

  • 捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMRx）
    下图为TIMx_CCMR1寄存器的各位描述：
    这里需要使用的是模式设置位OCxM，总共有两种PWM模式，这两种PWM 模式的区别就是输出电平的极性相反。

  110：PWM模式1。在向上计数时，一旦TIMx_CNT时通道1为有效电平，否则为无效电平；在向下计数时，一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1时通道1为无效电平(OC1REF=0)，否则为有效电平(OC1REF=1)。

  111：PWM模式2。 在向上计数时，一旦TIMx_CNT时通道1为无效电平，否则为有效电平；在向下计数时，一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1时通道1为有效电平，否则为无效电平。

  • 捕获/比较使能寄存器（TIMx_CCER）
    下图为TIMx_CCER寄存器的各位描述：
    该寄存器控制着各个输入输出通道的开关。这里只用到了CC2E位，该位是输入/捕获 2 输出使能位，要想PWM 从 I/O 口输出，这个位必须设置为 1。
  • 捕获/比较寄存器（TIMx_CCRx）
    下图为TIMx_CCR1寄存器的各位描述：
    在输出模式下，该寄存器的值与 CNT 的值比较，根据比较结果在OC1端口上产生输出信号。利用这点，我们通过修改这个寄存器的值实现控制 PWM 的输出脉宽。

（二）STM32配置PWM输出

这里以正点原子精英板为例配置一路的PWM输出实现呼吸灯的效果。

• 开启 TIM3 时钟以及复用功能时钟，配置 PB5 为复用输出
  不论是使用GPIO还是定时器，要使用 TIM3，我们就必须先开启 TIM3 的时钟；这里我们还要配置 PB5 为复用输出，因为 TIM3_CH2 通道的管脚默认接在PA7上的，因此需要重映射到 PB5 上，此时PB5属于复用功能输出。

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //使能定时器 3 时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); //复用时钟使能

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出

• 设置 TIM3_CH2 重映射到 PB5 上
  因为 TIM3_CH2 默认是接在 PA7 上的，所以我们需要设置 TIM3_REMAP 为部分重映射（通过 AFIO_MAPR 配置），让 TIM3_CH2 重映射到 PB5 上面。

GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); 	//TIM3 部分重映射

TIM3重映射控制表如下：

• 初始化 TIM3，设置 TIM3 的 ARR 和 PSC
  在开启了 TIM3 的时钟之后，我们要设置 ARR 和 PSC 两个寄存器的值来控制输出 PWM 的周期。当 PWM 周期太慢（低于 50Hz）的时候，我们就会明显感觉到闪烁了。因此，PWM 周期在这里不宜设置的太小。

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置自动重装载值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置预分频值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式

TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根据指定的参数初始化 TIMx 

• 设置 TIM3_CH2 的 PWM 模式，使能 TIM3 的 CH2 输出
  接下来，我们要设置 TIM3_CH2 为 PWM 模式（默认是冻结的），因为我们的 DS0 是低电平亮，而我们希望当 CCR2 的值小的时候，DS0 就暗，CCR2 值大的时候，DS0 就亮，所以我们要通过配置 TIM3_CCMR1 的相关位来控制 TIM3_CH2 的模式。

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //选择 PWM 模式 2

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能

TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性高

TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); //初始化 TIM3 OC2

• 使能 TIM3
  完成以上设置之后，我们需要使能 TIM3。

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); //使能 TIM3

• 修改 TIM3_CCR2 来控制占空比
  经过以上设置之后，PWM就已经开始输出了，只是其占空比和频率都是固定的，我们可以通过修改 TIM3_CCR2 控制 CH2 的输出占空比继而控制 DS0 的亮度。

void TIM_SetCompare2(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare2)；//修改输出占空比

• PWM 初始化程序

	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
	TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
	

	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);	//使能定时器3时钟
 	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB  | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);  //使能GPIO外设和AFIO复用功能模块时钟
	
	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); //Timer3部分重映射  TIM3_CH2->PB5    
 
   //设置该引脚为复用输出功能,输出TIM3 CH2的PWM脉冲波形	GPIOB.5
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //TIM_CH2
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO
 
   //初始化TIM3
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
	
	//初始化TIM3 Channel2 PWM模式	 
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式2
 	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高
	TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);  //根据T指定的参数初始化外设TIM3 OC2

	TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);  //使能TIM3在CCR2上的预装载寄存器
 
	TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  //使能TIM3

（三）PWM输出波形

1.Keil虚拟示波器观察

• 工程配置为仿真模式
  
• 打开Keil自带的示波器
  
• PWM波形
  

2.示波器观察

3.实验现象

（四）总结

通过在STM32上进行PWM的配置，我对于PWM产生原理和配置方法以及使用领域有了更加深刻的了解和认识，PWM对于我们学习和使用STM32以及其他单片机起着非常重要的作用。

参考文章：
1.（stm32f103学习总结）—stm32 PMW输出实验
2.详解基于STM32的keil4 MDK 软件仿真输出IO口的波形图！
3.STM32 PWM的输出与Keil软件仿真
4.STM32——PWM基本知识及配置过程
5.脉冲宽度调制
6.《STM32中文参考手册》