普冉（PUYA）单片机开发笔记(5): 配置定时器PWM输出

概述

定时器的输出通道作为 PWM 驱动是 MCU 的常用功能。

PY32F003 有一个高级定时器 TIM1 和一个通用定时器 TIM3，这两个定时器都可以驱动4个输出通道。现在我们就利用 TIM1 的某一个通道实现可控占空比的 PWM 输出。

原理简介

看数据手册，简单摘录如下。

关于 TIM1 的描述，厂家的《Reference_manual v1.1.pdf》中很详细了，内容很多，这里不再详述了。不说废话，上代码吧。

实现代码

使用 SystemClock_Config 函数选择 HSE

/********************************************************************************************************
**函数信息 ：void SystemClock_Config(void)
**功能描述 ：系统时钟配置
**输入参数 ：
**输出参数 ：
**    备注 ：
********************************************************************************************************/
HAL_StatusTypeDef SystemClock_Config(void)
{
    HAL_StatusTypeDef conf_res= HAL_OK;
    
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE |
                                       RCC_OSCILLATORTYPE_HSI | 
                                       RCC_OSCILLATORTYPE_LSI;              // 配置时钟源HSE/HSI/LSE/LSI
    RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;                                // 开启HSI
    RCC_OscInitStruct.HSIDiv = RCC_HSI_DIV1;                                // 不分频
    //RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_8MHz;      // 配置HSI输出时钟为8MHz
    //RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_4MHz;      // 配置HSI输出时钟为4MHz
    //RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_16MHz;     // 配置HSI输出时钟为16MHz
    //RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_22p12MHz;  // 配置HSI输出时钟为22.12MHz
    RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_24MHz;       // 配置HSI输出时钟为24MHz
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;                                // 开启 HSE
    RCC_OscInitStruct.HSEFreq = RCC_HSE_16_32MHz;                           // HSE工作频率范围16M~32M
    RCC_OscInitStruct.LSIState = RCC_LSI_OFF;                               // 关闭 LSI
    conf_res = HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);                       // 初始化RCC振荡器
    if (conf_res != HAL_OK)                                                 
        return conf_res;


    //初始化CPU,AHB,APB总线时钟
    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | 
                                  RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK | 
                                  RCC_CLOCKTYPE_PCLK1;      // RCC系统时钟类型
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSE;  // SYSCLK的源选择为HSE
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;      // APH时钟不分频
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;       // APB时钟不分频
    conf_res = HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_1); // 初始化RCC系统时钟
                                                                         // (FLASH_LATENCY_0=24M以下;
                                                                         // FLASH_LATENCY_1=48M)
    if (conf_res != HAL_OK)  
        return conf_res;
    
    return HAL_OK;
}

和先前开发笔记中的相同，选用 HSE 作为 TIM 子系统的时钟。重要的语句是

RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSE; 
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

这三句，设置TIM 子系统的总线频率和 HSE 相同（24MHz）。

SystemClock_Config 函数存放在 Application/User 组的 app.c 文件中。

main.h 声明 TIM1_PWM 相关的几个函数

/* Define to prevent recursive inclusion -------------------------------------*/
#ifndef __MAIN_H
#define __MAIN_H

#ifdef __cplusplus
extern "C"
{
#endif

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "py32f0xx_hal.h"
#include "py32f003xx_Start_Kit.h"
#include 

/* Exported functions prototypes ---------------------------------------------*/
HAL_StatusTypeDef SystemClock_Config(void);
HAL_StatusTypeDef GPIO_Config(void);
HAL_StatusTypeDef USART_Config(void);
HAL_StatusTypeDef DBG_UART_Start(void);
HAL_StatusTypeDef TIM16_Config(void);
HAL_StatusTypeDef TIM16_Start(void);

/**
 * ------------------------------------------------------
 * Added for TIM1 and PWM output.
 * Marked by HardCoder_LLuo@2023-12-07
 */
HAL_StatusTypeDef TIM1_PWM_Config(void);
HAL_StatusTypeDef TIM1_PWM_Start(uint32_t duty);
HAL_StatusTypeDef TIM1_PWM_Stop(void);
void TIM1_PWM_Output(const uint8_t duty_percent);
/* ------------------------------------------------------
*/

void Debug_Info(const char* msg);

......
......

在 app_pwm.c 中编写代码

在 Application/User 组加入 app_pwm.c 文件，编写在 main.h 中声明的函数。

/**
 ******************************************************************************
 * @file    app_pwm.c
 * @brief   Application level PWM codes.
 ******************************************************************************
 * @attention
 *
 * Copyright (c) 2023 CuteModem Intelligence.
 * All rights reserved.
 *
 * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
 * in the root directory of this software component.
 * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
 *
 ******************************************************************************
 */
 
#include "main.h"

#define PWM_PERIOD 1200

TIM_HandleTypeDef  htim1;
TIM_OC_InitTypeDef cfg_tim1;

HAL_StatusTypeDef TIM1_PWM_Config(void)
{
    HAL_StatusTypeDef cfg_res = HAL_OK;
    
    htim1.Instance = TIM1;                                                  // 选择TIM1
    htim1.Init.Period            = PWM_PERIOD - 1;                                // 自动重装载值，和Prescaler可确定PWM的频率
    htim1.Init.Prescaler         = 1 - 1;                                   // 预分频为1-1
    htim1.Init.ClockDivision     = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;                  // 时钟不分频
    htim1.Init.CounterMode       = TIM_COUNTERMODE_UP;                      // 向上计数
    htim1.Init.RepetitionCounter = 1 - 1;                                   // 不重复计数
    htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;          // 自动重装载寄存器无缓冲
    cfg_res = HAL_TIM_Base_Init(&htim1);                                    // 初始化
    if (cfg_res != HAL_OK)              
    {
        return cfg_res;
    }
    
    cfg_tim1.OCMode       = TIM_OCMODE_PWM1;                                // 输出配置为模式1
    cfg_tim1.OCPolarity   = TIM_OCPOLARITY_HIGH;                            // OC通道输出高电平有效
    cfg_tim1.OCFastMode   = TIM_OCFAST_DISABLE;                             // 输出快速使能关闭
    cfg_tim1.OCNPolarity  = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;                           // OCN通道输出高电平有效
    cfg_tim1.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;                         // 空闲状态OC1N输出低电平
    cfg_tim1.OCIdleState  = TIM_OCIDLESTATE_RESET;                          // 空闲状态OC1输出低电平
    cfg_tim1.Pulse        = 0;                                              // CC1值为0，相当于复位PWM输出
    cfg_res = HAL_TIM_OC_ConfigChannel(&htim1, &cfg_tim1, TIM_CHANNEL_1);   // OC1配置通道
    if (cfg_res != HAL_OK) return cfg_res;
        
    cfg_res = HAL_TIM_OC_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);                      // OC1通道开始输出
    if ( cfg_res != HAL_OK) return cfg_res;
    
    return cfg_res;
}

HAL_StatusTypeDef TIM1_PWM_Start(uint32_t duty)
{
    HAL_StatusTypeDef cfg_res = HAL_OK;
    
    cfg_tim1.Pulse = duty - 1;                                              // CC1值为duty，PWM平均=duty/period
    cfg_res = HAL_TIM_OC_ConfigChannel(&htim1, &cfg_tim1, TIM_CHANNEL_1);   // OC1配置通道
    if (cfg_res != HAL_OK) return cfg_res;
    
    cfg_res = HAL_TIM_OC_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);                      // OC1通道开始输出
    if ( cfg_res != HAL_OK) return cfg_res;
    
    return cfg_res;
}

HAL_StatusTypeDef TIM1_PWM_Stop(void)
{
    return HAL_TIM_OC_Stop(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}

void TIM1_PWM_Output(const uint8_t duty_percent)
{
    uint8_t  tmp_duty = 0;
    uint32_t duty     = 0;
    
    tmp_duty = duty_percent;
    if(duty_percent > 100) tmp_duty = 100;
    duty = (uint32_t)(tmp_duty * PWM_PERIOD / 100.0F + 0.5F) + 1;
    TIM1_PWM_Start(duty);
}

在 py32_f0xx_hal_msp.c 中增加对复用管脚的初始化

/**
  ******************************************************************************
  * @file    py32f0xx_hal_msp.c
  * @author  MCU Application Team
  * @Version V1.0.0
  * @Date    2020-10-19
  * @brief   This file provides code for the MSP Initialization
  *          and de-Initialization codes.
  ******************************************************************************
  */


/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"


/**
  * Initializes the Global MSP.
  */

void HAL_MspInit(void)
{
    BSP_LED_Init(LED_GREEN);
    BSP_PB_Init(BUTTON_USER,BUTTON_MODE_GPIO);
}

/**
 * -----------------------------------------------------------------------
 * @name   : void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
 * @brief  : 功能描述 ：初始化TIM相关MSP
 * @param  : [in] htim, TIM handler pointer
 * @retval : void
 * @remark :
 * -----------------------------------------------------------------------
*/
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if(htim->Instance == TIM16)
    {
        __HAL_RCC_TIM16_CLK_ENABLE();           //使能TIM16时钟
        HAL_NVIC_SetPriority(TIM16_IRQn, 0, 8); //设置中断优先级
        HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM16_IRQn);         //使能TIM1中断
        
        return;
    }
    
    if(htim->Instance == TIM1)
    {
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
        
        __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();                  // TIM1 时钟使能
        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();                 // GPIOA 时钟使能
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;       // 复用
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;         // 下拉
        GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 高速
        GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_3;             // PA3 初始化成 TIM1_CH1
        GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF13_TIM1;
        HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    }
}

在 py32_f0xx_hal_it.c 中增加对中断服务程序的重定向

extern TIM_HandleTypeDef  htim16;
extern TIM_HandleTypeDef  htim1;

...
...

// Override. For TIM1_PWM service
void TIM1_BRK_UP_TRG_COM_IRQHandler(void)
{
    HAL_TIM_IRQHandler(&htim1);
}

...
...

void TIM16_IRQHandler(void)
{
    HAL_TIM_IRQHandler(&htim16);
}

在 main.c 中添加对这些功能的调用

/**
* -------------------------------------------------------------------------
* @file   : int main(void)
* @brief  : main函数
* @param  : 无
* @retval : 无限循环，无返回值
* @remark : 
* -------------------------------------------------------------------------
*/
int main(void)
{
    HAL_Init();             // systick初始化
    SystemClock_Config();   // 配置系统时钟
    
    if(USART_Config() != HAL_OK) Error_Handler();         
    printf("[SYS_INIT] Debug port initilaized.\r\n");
    
    if(GPIO_Config() != HAL_OK) Error_Handler();          
    printf("[SYS_INIT] Board LED initilaized.\r\n");
    
    if(TIM16_Config() != HAL_OK) Error_Handler();
    printf("[SYS_INIT] Timer initialized.\r\n");
    
    if (TIM16_Start() != HAL_OK) Error_Handler();
    printf("[SYS_INIT] Timer started.\r\n");
    
    /**
     *   Added for TIM1 PWM output
     *   By HardCoder_LLuo@2023-12-07
     */
    if(TIM1_PWM_Config() != HAL_OK) Error_Handler();
    printf("[SYS_INIT] PWM initialized.\r\n");
    
    printf("\r\n+---------------------------------------+"
           "\r\n|        PY32F003 MCU is ready.         |"
           "\r\n+---------------------------------------+"
           "\r\n");

    if (DBG_UART_Start() != HAL_OK) Error_Handler();
    
    TIM1_PWM_Output(0);
        
//    while(BSP_PB_GetState(BUTTON_USER) != 0){}
//    TIM1_PWM_Output(20);
        
    while(BSP_PB_GetState(BUTTON_USER) != 0){}
    TIM1_PWM_Output(50);
//        
//    while(BSP_PB_GetState(BUTTON_USER) != 0){}
//    TIM1_PWM_Output(60);
//        
//    while(BSP_PB_GetState(BUTTON_USER) != 0){}
//    TIM1_PWM_Output(80);
//        
//    while(BSP_PB_GetState(BUTTON_USER) != 0){}
//    TIM1_PWM_Output(100);
        
    while (1)
    {
        /**
         *  For testing GPIO output
         *  2023-11-24
         *  Hard coder Luoyuan
        */
#if(0)
        // Toggle LED3 in TIM16 IT service procedure instead.
        HAL_Delay(1000);
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_5);
#endif
    }
}

代码新增部分实现对 TIM1_PWM 的初始化，然后将 TIM1 的 CHANNEL_1 拉低，等待按压一下开发板上的按钮，设置不同的 PWM 占空比，在示波器上观察这个输出通道的波形。

先前开发的功能仍然在使用，设置不同的中断优先级，避免中断之间的冲突。

实验结果

• 启动后，在 XCOM 的显示如下图。

• 启动信息显示正常，连续发送字符串，MCU 回显正常。
• 板载的 LED 以 1Hz 的频率在翻转，说明原有的 TIM16 中断运行正常。
• 查看按钮按下后，测量 GND 和 PA3 的波形如下，按顺序分别是占空比为 20%， 50%， 60%， 80% 和 100% 时的输出波形。

总结

利用 PY32F003 实现PWM输出的步骤：

1. 选择时钟
2. 设置端口复用
3. 初始化高级定时器 TIM1
4. 为 TIM1 的 OCx（x取值0，1，2，3） 通道设定占空比的值
5. 启动（重启）这个通道

注意事项

• 在 HAL_TIM_Base_MspInit 函数中，定义输出通道对应的 IO 管脚时，应根据外部硬件电路是否有上拉或者下拉来设置 GPIO_InitStructure.Pull 属性的值。在这里的实验当中，PWM输出的初始状态是全低电平（PWM关断的状态），并且这个 IO 管脚外部没有上拉电阻，那么这个 GPIO_InitStructure.Pull 属性就应该设置成 PULLDOWN，如果设置成了 PULLUP（默认值）就会在 PWM 通道进行初始化前产生一个高电平脉冲。在示波器上观察，这个高电平脉冲的宽度大约有 50us，如果是驱动一个灵敏的外部设备，例如一盏 LED 灯的话，足以让这盏灯突然闪亮一下了（有网友取名为“零点爆闪”现象，如果做到产品中，那是很 LOW 的哦）。相反，如果外部有上拉电阻，并且是使用 PWM2 模式输出的话，就应该将其初始化成 PULLUP。
• 想要使 PWM 输出变成零，设置 PWM CCx 输出为0 和 PWM_PERIOD，都可以。这是因为比较器比较 0 和比较 PWM_PERIOD，两者之差一拍，就都能产生 Elapsed 的结果。
• 和通用定时器相同，TIM1 的Period 和 Prescaler 决定了 PWM 波形的频率。零输出和满输出时，PWM 频率体现不出来。
• TIM1 可以同时驱动 4 个通道的 PWM 输出，这里只列出了一个。

谬误之处，欢迎指正。