【工具使用】STM32CubeMX-定时器PWM配置-实现呼吸灯功能
一、概述
无论是新手还是大佬，基于STM32单片机的开发，使用STM32CubeMX都是可以极大提升开发效率的，并且其界面化的开发，也大大降低了新手对STM32单片机的开发门槛。
本文主要讲述STM32芯片定时器PWM功能的配置及其相关知识。
二、软件说明
STM32CubeMX是ST官方出的一款针对ST的MCU/MPU跨平台的图形化工具，支持在Linux、MacOS、Window系统下开发，其对接的底层接口是HAL库，另外习惯于寄存器开发的同学们，也可以使用LL库。STM32CubeMX除了集成MCU/MPU的硬件抽象层，另外还集成了像RTOS，文件系统，USB，网络，显示，嵌入式AI等中间件，这样开发者就能够很轻松的完成MCU/MPU的底层驱动的配置，留出更多精力开发上层功能逻辑，能够更进一步提高了嵌入式开发效率。
演示版本 6.7.0
三、定时器PWM功能简介
定时器，顾名思义，就是定时的功能，定时器在单片机中算是除GPIO外最基本的外设。在ST中，定时器分为几种，基础定时器，通用定时器，高级定时器和低功耗定时器。其中定时器除了用作定时外，还可以用作输入捕获、比较输出、PWM输出等功能。本文重点介绍PWM输出的功能配置。
脉宽调制（Pulse Width Modulation），简称PWM或P波，其实就是输出像方波一样的波型。其中PWM有几个比较重要的参数，一是频率（周期），二是占空比，三是幅值。
之前我们已经介绍过基础定时器，基础定时器里只有最简单的定时功能，而本文要使用的是PWM，基础定时器是无法满足此功能的，那么这里就得来看下通用定时器。
这个框图比基础定时器要复杂一些，这里我们把它拆成四部分，基础定时、触发源、输入部分和输出部分。虽然框图这么划分，但实现基础定时、输入和输出的预分频、重装载值、计数值这部分是重叠的。输入和输出更是共用了捕获/比较的寄存器。
基础定时：这一块跟之前基础定时器的配置方式是一样的，可以参考那一篇文章STM32CubeMX-基础定时器配置。
触发源：用于触发启动定时器的功能。
输入部分：可用来配置输入捕获的功能，一般用作频率检测、电平翻转触发等。本文重点为PWM，所以输入部分在其他文章里再详细说明。
输出部分：可用来配置比较输出和PWM输出。
这里重点关注下PWM相关的配置项。
PSC prescaler（预分频）：用于将定时器的输入时钟分频使用，比如单片机当前芯片主频为48M，给到定时器的时钟也为48M，但由于功耗或实际应用场景等原因，并不需要定时器以这么高频率进行计数，那就可以使用预分频将频率降低。比如来个48分频，那实际定时器计数频率就是1MHz。需要注意的是，这个寄存器默认值为0，即一分频，所以想要设置48分频，应该设置寄存器的值为47，即设置值=预分频系数-1。
CNT counter（计数值）：这个就是定时器工作时的计数值，当定时器启动时，该寄存器每隔一个时钟周期会往上加1，直到计数值溢出（16位的定时器上溢值就是2的16次方，即65535）或在开启自动重装载功能时达到重装载值，则清0。
Auto-reload register（重装载值）：在开启了自动重装载功能后，当CNT计数值大于该设定值时，CNT计数值会自动清0重新计数。所以重装载值的设定值，一般也是需要设置目标值-1，也就是如果想要计10个数，那只要设置9即可。
Capture/Compare x register（x通道的捕获/比较寄存器）：当定时器某一通道配置为PWM功能时，该通道的此寄存器则作为比较寄存器。当CNT计数值大于该寄存器值时，输出电平翻转。
Output control（输出控制器）：这个用来总体控制输出的开关。
预分频系数和重装载值这两个就决定了PWM的属性之一：频率。具体计算公式如下：
而比较值和重装载值这两个就决定了PWM的另一个属性之一：占空比。具体计算公式如下：
可以看到这个定时器是有4个独立通道的，但4个通道共享一个分频系数和重装载值。所以当使用同个定时器输出多个PWM通道时，其频率是共享的，只有占空比可以独立设置。如果真的需要不同通道设置不同的频率，那只能选择使用不同的定时器。
那除了通用定时器，其他类型的定时器是否也有PWM呢？看下高级定时器，这里也有PWM的功能，甚至比通用定时器的PWM功能更丰富。从系统框图上最直观可以看到就是多了一路BKIN，一般是用在电机控制上紧急关闭输出的。
另外需要注意的一个点是，因为高级定时器一般用在电机控制上，电机控制一般是需要2~3路PWM按一定的时序输出的，所以使用PWM时，高级定时器比通用定时器需要多开一个总输出的寄存器。
四、定时器配置
这里我们来实现一个高级一点的点灯方式——呼吸灯。首先呼吸灯就是让LED的亮度从灭到亮无级过度，看起来就像是人呼吸一样顺畅。那怎么做到让LED亮度无级调节呢？最直接的方法就是调节控制LED灯的电压，前面知道了点亮一个LED灯是需要给一个3.3V的电压值，那如果我们给一个2V的电压值，那LED灯的亮度是不是就会比原本3.3V暗一些。但怎么调节给定的电压值呢？这里可以用PWM技术来处理。幅值为3.3V，占空比为50%的PWM，其平均电压为3.3*50%=1.65V。这里还有个问题，就是PWM的频率应该设置多少？这里只需要设置一个人眼看不出灯闪的频率即可，先初定一个2kHz。知道原理后，就可以开始对PWM进行设置了。
首先选择需要控制的IO口（需要确定该IO口是否具备定时器通道输出的功能），这里我们用的是开发板的PA5口，也就是LED灯的那个端口，选择TIM2_CH1。然后在左边的菜单框中选择Timers->TIM2，在弹出的菜单栏中，找到Clock Source，配置成Internal Clock，即使用内部时间作为时钟源。再配置Channel1为PWM Generation CH1，即PWM功能。
Slave Mode（从机模式）：可以在多种模式下与外部触发器同步，可配置为重置模式（输入出现上升沿时复位定时器计数并更新寄存器值）、门控模式（输入高电平时启动计数，输入低电平时停止计数，不重置寄存器）和触发模式（输入出现上升沿时启动计数，不能控制停止）。
Trigger Source（触发源）：就上面框图里可用的ITR0~4等触发源，用来触发定时器工作，如果由软件启动，则不需要配置此项。
Clock Source（时钟源）：一般使用内部时钟源即可。
Channel x（第x通道）：可以配置每个通道的功能，比如PWM输出，比较输出，输入捕获等，当配置为PWM或比较输出时，还可以选配是否从端口输出，选择不输出的一般是用作当计数值达到某个设定阀值时，触发一个中断，这种应用可以不需要端口输出电平。
One Pulse Mode（单脉冲模式）：启用该功能时，当定时器计数值达到重装载值时停止计数。
接下来就是配置PWM的相关参数。首先根据系统时钟的频率配置定时器的预分频系数，因为当前主频配置为48M，为了比较方便地得到2kHz的频率，这边配置为48分频，所以Prescaler值应该设定为48-1=47。然后计数模式默认按向上计数即可，重装载值配置为499（因为定时器分频后频率为1MHz，所以计数值累加一次时间为1us，每计500次为一个周期，其频率即为2kHz，所以将重装载值配置为500，同样的因从0开始计数，设置寄存器时也需要将其-1设置）。最后开启自动重装载功能即可。因为我们现在要实现的功能是呼吸灯，所以需要输出的PWM占空比是需要实时改变的，因此这里Pulse可配可不配，具体数值在代码里体现。
Prescaler（预分频）：用于将定时器的输入时钟分频使用，比如单片机当前芯片主频为48M，给到定时器的时钟也为48M，但由于功耗或实际应用场景等原因，并不需要定时器以这么高频率进行计数，那就可以使用预分频将频率降低。比如来个48分频，那实际定时器计数频率就是1MHz。需要注意的是，这个寄存器默认值为0，即一分频，所以想要设置48分频，应该设置寄存器的值为47，即设置值=预分频系数-1。
Counter Mode（计数类型）：可配置为向上计数和向下计数两种模式，向上计数则是定时器的计数正常向上累加，达到溢出值后清0，向下计数则是定时器的计数向下递减，减至0时将计数值恢复至最大值。
Counter Period（重装载值-32位）：在开启了自动重装载功能后，当CNT计数值大于该设定值时，CNT计数值会自动清0重新计数。所以重装载值的设定值，一般也是需要设置目标值-1，也就是如果想要计10个数，那只要设置9即可。
Internal Clock Division（内部时钟分频）：用于对内部时钟进行分频，可以配置为二分频和四分频。
auto-reload preload（自动重装载）：开启自动重装载功能后，如果配置的计数类型是向上计数时，当计数值大于重装载值时，定时器会自动将计数值清0重新开始计数；如果配置的计数类型是向下计数，则当计数值为0时，定时器自动将计数值设置为重装载值。
然后就是PWM模式下PWM Generation Channel x那一项的相关配置。
Mode（PWM的模式）：有两种模式，分别是PWM1和PWM2，设置为PWM1时，如果设置为向上计数，则当计数值<比较值时，输出低电平；如果设置为向下计数，则当计数值>比较值时，输出低电平。PWM2则与之相反。
Pulse（输出比较值）：当计数值超过该设定值时，电平翻转，所以PWM的占空比即由该寄存器值/重装载值可得。
Output compare preload（输出比较值预加载）：当使能此功能时，设置Pulse输出比较值时，该值不会立即生效，而是会等到当前PWM完成一个周期的输出后才把当前值设置至Pulse输出比较值的寄存器中。这样可以实现设置的平滑切换。不使能则是立即生效。这里建议使能该功能。
Fast Mode（快速模式）：快速模式选择，当需要输出高速PWM时则选配此功能。
CH Polarity（通道极性）：用来配置PWM输出的初始电平极性，当配置为High（高）时，默认为高电平；配置为low（低）时，则默认为低电平。
- HAL库代码实现
因为CubeMX已经配置好PWM的频率，生成工程后，只需要调用启动PWM的接口即可。而要实现呼吸灯的效果，只要循环修改定时器的比较值，也就是让PWM输出的占空比从0%到100%，再从100%到0%。每次设置时需要增加一个延时，防止呼吸过于急促。
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
uint32_t duty = 0;
uint32_t pre_d, comp_d = 0;
uint8_t dir = 0;
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_TIM2_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
/* 开启定时器 */
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
/* 获取当前定时器重装载值 */
pre_d = __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim2);
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
/* 占空比由0~100再从100到0循环，单位% */
if (dir == 0)
{
duty++;
}
else
{
duty--;
}
if (duty >= 100)
{
dir = 1;
}
else if (duty == 0)
{
dir = 0;
}
/* 延个时，防止呼吸过快 */
HAL_Delay(10);
/* 根据占空比计算比较值 */
comp_d = pre_d * duty / 100;
/* 设置比较值 */
if (__HAL_TIM_GET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1) != comp_d)
{
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, comp_d);
}
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
- LL库代码实现
同样的，仿照HAL库的实现方式，调用相应的LL库接口。首先是初始化部分，HAL库简化后核心逻辑如下，其实就只是使能当前通道后打开定时器而已，中间使能总输出只在高级定时器中才需要。
其他接口在LL库均能找到对应的接口，这里就直接上代码了。当然，使用LL库的时候，还是记得需要把生成代码库切成LL库。
/**
* @brief The application entry point.
* @retval int
*/
int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */
uint32_t duty = 0;
uint32_t pre_d, comp_d = 0;
uint8_t dir = 0;
/* USER CODE END 1 */
/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
LL_APB1_GRP2_EnableClock(LL_APB1_GRP2_PERIPH_SYSCFG);
LL_APB1_GRP1_EnableClock(LL_APB1_GRP1_PERIPH_PWR);
/* SysTick_IRQn interrupt configuration */
NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 3);
/* USER CODE BEGIN Init */
/* USER CODE END Init */
/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();
/* USER CODE BEGIN SysInit */
/* USER CODE END SysInit */
/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_TIM2_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
/* 使能通道 */
LL_TIM_CC_EnableChannel(TIM2, LL_TIM_CHANNEL_CH1);
/* 使能总输出 */
LL_TIM_EnableAllOutputs(TIM2);
/* 使能定时器 */
LL_TIM_EnableCounter(TIM2);
/* 获取当前定时器重装载值 */
pre_d = LL_TIM_GetAutoReload(TIM2);
/* USER CODE END 2 */
/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
/* 占空比由0~100再从100到0循环，单位% */
if (dir == 0)
{
duty++;
}
else
{
duty--;
}
if (duty >= 100)
{
dir = 1;
}
else if (duty == 0)
{
dir = 0;
}
/* 根据占空比计算比较值 */
comp_d = pre_d * duty / 100;
/* 延个时，防止呼吸过快 */
LL_mDelay(10);
/* 设置比较值 */
if (LL_TIM_OC_GetCompareCH1(TIM2) != comp_d)
{
LL_TIM_OC_SetCompareCH1(TIM2, comp_d);
}
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
/* USER CODE END 3 */
}
- 效果演示
烧录软件至开发板中，可以看到呼吸灯的效果。
五、注意事项
1、留意预分频系数和重装载值设置的时候都是要减1处理，也就是想要2分频，PSC需要设置为1，想要计数10次复位，则需要给重装载值设置9。
2、配置完生成的工程，并不会在初始化的时候就给打开计数，需要在使用过程中自行调用LL库打开。
3、使用高级定时器实现PWM功能时，需要多一个总输出的控制，否则端口不会输出PWM。
4、同个定时器的不同通道只能是相同的频率，需要输出不同频率的PWM波，需要使用不同的定时器。
六、相关链接
对于刚入门的小伙伴可以先看下STM32CubeMX的基础使用及Keil的基础使用。
【工具使用】STM32CubeMX-基础使用篇
【工具使用】Keil5软件使用-基础使用篇
定时器的基础认识及配置可参考基础定时器的配置。
【工具使用】STM32CubeMX-基础定时器配置