STM32F103采用通用定时器方法输出PWM波形

一、PWM介绍

PWM——脉冲宽度调制

脉冲宽度调制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。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。脉冲宽度调制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，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中

基本原理

控制方式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。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率

例如

例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于 π/n ，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。

二、STM32定时器实现PWM波形输出介绍

STM32定时器输出通道引脚

STM32的通用定时器分为TIM2、TIM3、TIM4、TIM5，而每个定时器都有独立的4个通道可以用来作为：输入捕获、输出比较、PWM输出、单脉冲模式输出等。

STM32的定时器除了TIM6和TIM7（基本定时器）之外，其他的定时器都可以产生PWM输出。其中，高级定时器TIM1、TIM8可以同时产生7路PWM输出，而通用定时器可以同时产生4路PWM输出，这样STM32最多可以同时产生30路PWM输出。

PWM的通道概览

每一个捕获/比较通道都是围绕着一个捕获/比较寄存器（包含影子寄存器），包括捕获的输入部分（数字滤波、多路复用和预分频器），和输出部分（比较器和输出控制）。

捕获/比较模块由一个预装载寄存器和一个影子寄存器组成。读写过程仅操作预装载寄存器。

在捕获模式下，捕获发生在影子寄存器上，然后再复制到预装载寄存器中。
在比较模式下，预装载寄存器的内容被复制到影子寄存器中，然后影子寄存器的内容和计数器进行比较。

CCR1寄存器：捕获/比较值寄存器：设置比较值；
CCMR1寄存器：OC1M[2:0]位：对于PWM方式下，用于设置PWM模式1或者PWM模式2；
CCER寄存器：CC1P位：输入/捕获1输出极性。0：高电平有效，1：低电平有效。
CCER寄存器：CC1E位：输入/捕获1输出使能。0：关闭，1：打开。

PWM输出的模式区别

通过设置寄存器TIMx_CCMR1的OC1M[2:0]位来确定PWM的输出模式：

PWM模式1：在向上计数时，一旦TIMx_CNTTIMx_CCR1时通道1为无效电平(OC1REF=0)，否则为有效电平(OC1REF=1)。
PWM模式2：在向上计数时，一旦TIMx_CNTTIMx_CCR1时通道1为有效电平，否则为无效电平。

注意：PWM的模式只是区别什么时候是有效电平，但并没有确定是高电平有效还是低电平有效。这需要结合CCER寄存器的CCxP位的值来确定。

例如：若PWM模式1，且CCER寄存器的CCxP位为0，则当TIMx_CNT

定时器3的输出通道引脚

TIM3_CH1：PA6，完全重映像PC6
TIM3_CH2：PA7，完全重映像PC7
TIM3_CH3：PB0，完全重映像PC8
TIM3_CH4：PB1，完全重映像PC9

三、代码实现

代码部分参考自野火官方资料

周期信号和占空比计算

// ARR ：自动重装载寄存器的值
// CLK_cnt：计数器的时钟，等于 Fck_int / (psc+1) = 72M/(psc+1)
// PWM 信号的周期 T = ARR * (1/CLK_cnt) = ARR*(PSC+1) / 72M
// 占空比P=CCR/(ARR+1)

通用定时器初始化

#include "bsp_GeneralTim.h" 

static void GENERAL_TIM_GPIO_Config(void) 
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  // 输出比较通道1 GPIO 初始化
	RCC_APB2PeriphClockCmd(GENERAL_TIM_CH1_GPIO_CLK, ENABLE);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GENERAL_TIM_CH1_PIN;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GENERAL_TIM_CH1_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
	// 输出比较通道2 GPIO 初始化
	RCC_APB2PeriphClockCmd(GENERAL_TIM_CH2_GPIO_CLK, ENABLE);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GENERAL_TIM_CH2_PIN;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GENERAL_TIM_CH2_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
	// 输出比较通道3 GPIO 初始化
	RCC_APB2PeriphClockCmd(GENERAL_TIM_CH3_GPIO_CLK, ENABLE);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GENERAL_TIM_CH3_PIN;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GENERAL_TIM_CH3_PORT, &GPIO_InitStructure);
	
	// 输出比较通道4 GPIO 初始化
	RCC_APB2PeriphClockCmd(GENERAL_TIM_CH4_GPIO_CLK, ENABLE);
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GENERAL_TIM_CH3_PIN;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GENERAL_TIM_CH3_PORT, &GPIO_InitStructure);
}


static void GENERAL_TIM_Mode_Config(void)
{
  // 开启定时器时钟,即内部时钟CK_INT=72M
	GENERAL_TIM_APBxClock_FUN(GENERAL_TIM_CLK,ENABLE);

/*--------------------时基结构体初始化-------------------------*/
	// 配置周期，这里配置为100K
	
  TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
	// 自动重装载寄存器的值，累计TIM_Period+1个频率后产生一个更新或者中断
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=GENERAL_TIM_Period;	
	// 驱动CNT计数器的时钟 = Fck_int/(psc+1)
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler= GENERAL_TIM_Prescaler;	
	// 时钟分频因子 ，配置死区时间时需要用到
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;		
	// 计数器计数模式，设置为向上计数
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;		
	// 重复计数器的值，没用到不用管
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;	
	// 初始化定时器
	TIM_TimeBaseInit(GENERAL_TIM, &TIM_TimeBaseStructure);

	/*--------------------输出比较结构体初始化-------------------*/	
	// 占空比配置
	uint16_t CCR1_Val = 5;
	uint16_t CCR2_Val = 4;
	uint16_t CCR3_Val = 3;
	uint16_t CCR4_Val = 2;
	
	TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
	// 配置为PWM模式1
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
	// 输出使能
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
	// 输出通道电平极性配置	
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
	
	// 输出比较通道 1
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = CCR1_Val;
	TIM_OC1Init(GENERAL_TIM, &TIM_OCInitStructure);
	TIM_OC1PreloadConfig(GENERAL_TIM, TIM_OCPreload_Enable);
	
	// 输出比较通道 2
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = CCR2_Val;
	TIM_OC2Init(GENERAL_TIM, &TIM_OCInitStructure);
	TIM_OC2PreloadConfig(GENERAL_TIM, TIM_OCPreload_Enable);
	
	// 输出比较通道 3
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = CCR3_Val;
	TIM_OC3Init(GENERAL_TIM, &TIM_OCInitStructure);
	TIM_OC3PreloadConfig(GENERAL_TIM, TIM_OCPreload_Enable);
	
	// 输出比较通道 4
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = CCR4_Val;
	TIM_OC4Init(GENERAL_TIM, &TIM_OCInitStructure);
	TIM_OC4PreloadConfig(GENERAL_TIM, TIM_OCPreload_Enable);
	
	// 使能计数器
	TIM_Cmd(GENERAL_TIM, ENABLE);
}

void GENERAL_TIM_Init(void)
{
	GENERAL_TIM_GPIO_Config();
	GENERAL_TIM_Mode_Config();		
}

四、输出效果

连接示波器
示波器夹子的那一头接地，另外一头接在板子（我的是野火MINI板）的PA4、PA5。

调整示波器可以看到如下波形

事实上可以看到占空比发生变化，可以通过库函数改变频率。

五、总结

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，这次在单片机上的PWM波形输出实验让我对这一技术有了不少了解，给我感觉接近硬件的技术其实也需要软件来控制。在嵌入式系统应用中利用MCU的数字输出来对模拟电路进行控制是非常普遍且有效的技术，在未来的通信、功率控制与变换的许多领域中将会广泛应用，要掌握这一技术，理解这种思路。

六、参考

【STM32】通用定时器的PWM输出（实例：PWM输出）
脉冲宽度调制
（stm32f103学习总结）—stm32 PMW输出实验