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STM32单片机系列专栏

C语言术语和结构总结专栏

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文章目录

1. 输出比较(OC)

2. PWM

3. PWM的输出

3.1 高级定时器

3.2 通用定时器 

4. PWM的输出结构

5. 代码示例

5.1 PWM.c

5.2 PWM.h

5.3 main.c

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这篇文章解释了TIM定时器的内部时钟和外部时钟的使用：

STM32中断之TIM定时

1. 输出比较(OC)

输出比较（Output Compare，简称OC）是定时器的一个重要功能，它允许定时器在达到特定的计数值时（由CNT和CCR寄存器确定）进行特定的动作，也就是对输出电平进行置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。

这种机制在产生准确的时间延迟、测量时间间隔以及生成PWM（脉宽调制）信号等应用中非常有用。这里的详细解释如下：

• 定时器的CNT寄存器：这是定时器的当前计数值，通常由时钟信号递增。计数器会根据配置的模式（向上、向下或者向上向下计数）和速率（由预分频器PSC设置）增加。

• CCR寄存器：是“捕获/比较寄存器”。在输出比较模式中，可以在CCR寄存器中设置一个值，当CNT寄存器的计数值与CCR寄存器的值匹配时，可以触发一个事件（如翻转输出引脚的电平或生成一个中断信号）。

• OC功能：当CNT与CCR的值相等时，根据你的配置，定时器可以改变其输出引脚的状态，生成PWM信号，或触发其他外设（如DMA传输）。

• 每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输出比较通道。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

2. PWM

PWM（Pulse Width Modulation）脉宽宽度调制是一种非常有效的技术，用于控制模拟电路的功率，通过在数字引脚上产生一系列高低电平的脉冲。在这个过程中，脉冲的宽度（即脉冲持续的时间）会根据需要调整，以表示特定的信号强度。PWM用于控制电机的速度、LED的亮度、以及其他需要变化功率的场合。

• 频率：PWM信号的频率定义为一个周期内的倒数，用公式表示为 f= 1/Ts。这里 Ts 是信号周期，即从一个脉冲开始到下一个相同点的时间。

• 占空比：占空比描述了高电平在整个周期内的时间比例，用公式表示为 D = Ton/Ts。TON​ 是信号在高电平的持续时间，TS​ 依旧是周期时间。占空比可以转化为输出电压的平均值，因此通过调整占空比可以模拟出不同的电压水平。

如下图所示：

• 左侧图示显示了一个正弦波信号，它被用于生成PWM信号。可以看到，正弦波信号的幅度变化与PWM信号的占空比变化是对应的。正弦波上升时，PWM的占空比增大，导致高电平时间延长；正弦波下降时，占空比减小，高电平时间缩短。换句话说，当上面电平时间长，下面电平时间短，等效的模拟量就偏上上面。

• 右侧图示是一个PWM信号的时间图，展示了连续几个周期内的高电平（TON​）和低电平（TOFF​）的长度。整个周期 TS​ 是 TON​ 和 TOFF​ 之和。

3. PWM的输出

下面介绍定时器的输出比较模块怎么去输出PWM波形：

3.1 高级定时器

3.2 通用定时器 

首先左边CNT和CCR进行比较，当CNT >= CCR时，就会给输出模式控制器传输信号，改变它输出OC1REF(reference) 的高低电平。接着REF信号可以选择前往主模式控制器，可以把REF映射到主模式的TRGO输出上去。也可以选择通过下面的电路，到达一个极性选择，给这个寄存器写入0，信号会往上走，代表信号电平不反转，如果写入1，信号会通过非门取反，意味着信号进行反转。之后输出使能电路，选择要不要输出。最后到达OC1引脚，也就是CH1通道的引脚。

对于如何判断给REF高电平还是低电平，参考下面的表格，代表输出比较的八种模式：

模式	条件	描述
冻结模式	CNT=CCR时，REF保持不变	不管计数值和比较值的关系如何，输出始终不变
匹配时通道有关电平	CNT=CCR时，REF置有效电平	有效电平可以理解为高电平
匹配时通道无关电平	CNT=CCR时，REF置无效电平	无效电平可以理解为低电平
匹配时电平翻转	CNT=CCR时，REF电平翻转	当计数值等于比较值时，输出引脚电平翻转
强制为无效电平	CNT与CCR无关，REF强制为无效电平	无论计数值与比较值的关系如何，输出引脚始终为无效电平
强制为有效电平	CNT与CCR无关，REF强制为有效电平	无论计数值与比较值的关系如何，输出引脚始终为有效电平
PWM模式1	CNT < CCR时，REF置有效电平，CNT > CCR时，REF置无效电平	适用于PWM输出的通用模式
PWM模式2	CNT < CCR时，REF置无效电平，CNT > CCR时，REF置有效电平	与PWM模式1相反，适用于需要在周期开始时输出无效，周期结束时输出有效的PWM输出模式

4. PWM的输出结构

首先左上角是时间单元和运行控制部分

• ARR (Auto-Reload Register)：自动重载寄存器，定义了计数器的最大值，从而定义了PWM周期。
• PSC (Prescaler)：预分频器，它决定了计数器的计数频率，实际上是减慢计数器的速度。

• 计数器 (CNT)：当计数器值增加到ARR值时，会产生一个更新事件（即溢出），并重置为0开始新的周期。

配置好了时基单元，CNT就可以开始不断地增加数值。下面是输出比较单元部分，一共有四路。最开始是CCR寄存器，CCR是自己设置的数值，此时CCR和CNT不断进行比较，后面就是输出模式控制器。图片使用的是PWM模式1。

右边的图可以看出是如何输出PWM波形的，蓝色线是CNT的值，黄色线是ARR的值，蓝色线从0开始自增，一直增加到ARR的值（99），之后清零重新开始。红色线是CCR，比如设置CCR为30，之后通过输出模式控制器，就可以得到绿色的线，CNT < CCR 绿色的线为高电平。CCR设置的低，输出的占空比就小，CCR设置的高，输出占空比就变大。

参数计算：

PWM频率（Freq）：  Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)

等于计数器的更新频率，PWM的频率取决于时钟预分频器（CK_PSC）除以预分频器值（PSC）加1再除以自动重载寄存器（ARR）的值加1。

PWM占空比（Duty）：  Duty = CCR / (ARR + 1)

对比上面的图，因为ARR是从0到99，所以要加1。CCR在到达30时已经变为低电平，所以相当于0到29，不用加1。

PWM分辨率（Reso）：  Reso = 1 / (ARR + 1)

占空比变化的步距，描述了PWM波形的最小变化单位。分辨率决定了可以生成的最小的PWM调节步长。CCR的值应该设置在0到ARR+1的范围内，CCR=ARR+1时，占空比为100%，也就是说如果CCR大于了ARR+1，此时占空比始终为100%。ARR的数值越大，CCR的范围就越大，对应的分辨率就越大。

5. 代码示例

STM32使用PWM实现LED呼吸灯，引脚连接为：

LED	STM32
正极	PA0
负极	GND

这个连接方式代表高电平点亮，低电平熄灭，占空比越大，LED越亮，占空比越小，LED越暗。

首先第一步：开始RCC时钟，打开将要使用的TIM外设时钟和GPIO外设时钟。

第二步：配置时基单元，PSC预分频器、CNT计数器和ARR自动重装载，也包括包括时钟源选择。

第三步：配置输出比较单元，包括CCR的数值，输出比较模式，极性选择，输出使能。

第四步：配置GPIO，把PWM对应的GPIO初始化为复用推挽输出的配置。

第五步：运行控制，启动计数器就可以输出PWM了。

5.1 PWM.c

要使用的库函数文件依然为：stm32f10x_tim.h，拖到最下面，在这里可以找到定时器TIM需要使用到的函数。

#include "stm32f10x.h" 

//函    数：PWM初始化
void PWM_Init(void)
{
	//开启时钟
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);			//开启TIM2的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);			//开启GPIOA的时钟
	
	//GPIO重映射
//	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);			//开启AFIO的时钟，重映射必须先开启AFIO的时钟
//	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2, ENABLE);			//将TIM2的引脚部分重映射，具体的映射方案需查看参考手册
//	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);		//将JTAG引脚失能，作为普通GPIO引脚使用
	
	//GPIO初始化
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;		//GPIO_Pin_15;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);							//将PA0引脚初始化为复用推挽输出	
																	//受外设控制的引脚，均需要配置为复用模式		
	
	//配置时钟源
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);		//选择TIM2为内部时钟，若不调用此函数，TIM默认也为内部时钟
	
	//时基单元初始化
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;				//定义结构体变量
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;     //时钟分频，选择不分频，此参数用于配置滤波器时钟，不影响时基单元功能
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数器模式，选择向上计数
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;					//计数周期，即ARR的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1;				//预分频器，即PSC的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;            //重复计数器，高级定时器才会用到
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);             //将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit，配置TIM2的时基单元
	
	//输出比较初始化
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;							//定义结构体变量
	TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);							//结构体初始化，若结构体没有完整赋值
																	//则最好执行此函数，给结构体所有成员都赋一个默认值
																	//避免结构体初值不确定的问题
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;				//输出比较模式，选择PWM模式1
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;		//输出极性，选择为高，若选择极性为低，则输出高低电平取反
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;	//输出使能
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;								//初始的CCR值
	TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);						//将结构体变量交给TIM_OC1Init，配置TIM2的输出比较通道1
	
	//TIM使能
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);			//使能TIM2，定时器开始运行
}

//PWM设置CCR
void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare)
{
	TIM_SetCompare1(TIM2, Compare);		//设置CCR1的值
}

RCC_APB1PeriphClockCmd

• TIM2 代表定时器2，它是STM32的一个基础硬件定时器。在STM32的某些系列中，TIM2连接到的是APB1总线。
• ENABLE 是一个宏定义，用来开启某项功能，这里用来开启TIM2的时钟。如果传递 DISABLE 则会关闭外设的时钟。
• 简单来说，RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); 这行代码的作用是开启连接到APB1总线的定时器2（TIM2）的时钟。只有开启了时钟，程序中关于TIM2的其他功能（如计时、计数、PWM发生等）才能正常工作。

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

• GPIO的初始化中，选择AF_PP复用推挽输出，因为对于普通的开漏推挽输出，引脚的控制权是来自于输出数据寄存器的，如果想用定时器来控制引脚，就需要使用复用开漏/推挽输出模式。

时基单元中的数值设置：

产生一个频率为1KHz，占空比为50%，分辨率为1%的PWM波形图,代入公式为：

• 频率 = CK_PSC(72M) / (PSC + 1) / (ARR + 1) = 1000
• 占空比 = CCR / (ARR + 1) = 50%
• 分辨率为 = 1 / (ARR + 1) = 1%
• 所以得到ARR = 99, CCR = 50, PSC = 719

5.2 PWM.h

接着是PWM.h文件，这部分引用声明一下即可

#ifndef __PWM_H
#define __PWM_H

void PWM_Init(void);
void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare);

#endif

 

5.3 main.c

#include "stm32f10x.h" 
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "PWM.h"

uint8_t i;			//定义for循环的变量

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	OLED_Init();		//OLED初始化
	PWM_Init();			//PWM初始化
	
	while (1)
	{
		for (i = 0; i <= 100; i++)
		{
			PWM_SetCompare1(i);			//依次将定时器的CCR寄存器设置为0~100，PWM占空比逐渐增大，LED逐渐变亮
			Delay_ms(10);				//延时10ms
		}
		for (i = 0; i <= 100; i++)
		{
			PWM_SetCompare1(100 - i);	//依次将定时器的CCR寄存器设置为100~0，PWM占空比逐渐减小，LED逐渐变暗
			Delay_ms(10);				//延时10ms
		}
	}
}

for循环：
PWM_SetCompare1(i);: 设置PWM的比较寄存器（CCR）的值。在PWM模式下，CCR值决定了PWM波形的占空比（即波形的高电平部分占整个周期的比例）。随着i的增加，占空比增大，LED亮度增加。

PWM_SetCompare1(100 - i);: 这次设置的是递减的CCR值，从100减到0。这导致LED的占空比随着i的增加而减小，使LED逐渐变暗。
Delay_ms(10);: 等待10毫秒。这使得LED亮度的变化不会太快，人眼能够感知到渐变效果。