链接: 15-TIM输出比较

1.简介

1.1.输出比较功能

输出比较，英文全称Output Compare，简称OC。它最主要的功能是 可以通过比较计数器CNT和捕获/比较寄存器（Capture/Compare Register）CCR值的关系，来输出电平进行置1、置0的翻转操作，用于输出一定频率和占空比的PWM波形。
每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输出比较的通道，可以同时输出4路PWM波形，且高级定时器的前3个通道额外拥有死区生成电路和互补输出的功能（用于驱动三相无刷电机）。4个输出比较通道都有独立的CCR寄存器，但是它们共用同一个CNT计数器。

1.2.PWM

●PWM（Pulse Width Modulation），即脉冲宽度调制，PWM波形是一个数字输出信号，是由高低电平组成的，是一种对模拟电平信号进行数字编码的方法。在具有惯性的系统中，可以通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的模拟参量，常应用于电机控速等领域。也就是说，使用PWM波形，是用来等效地实现一个模拟信号的输出。

● （1）以LED为例：GPIO的输出信号只能是数字信号，如果想通过数字信号输出模拟量，可以通过以下的方法实现：让LED不断点亮、熄灭、点亮、熄灭，当点亮、熄灭的频率足够大时，由于LED的余晖和人眼的视觉暂留效应，LED就会呈现出一个中等亮度。当调控点亮和熄灭的时间比例时就能让LED呈现出不同的亮度级别。（2）对于电机调速也类似：在高频率下不断让电机交替通断，由于电机断电后不会立刻停止，而是由于惯性转动后停下，电机的速度就能维持在一个中等速度。

● PWM参数：
频率 ：f = 1 / Ts（周期的倒数就是频率）；变换越快=频率越大（PWM的频率越快，它等效模拟的信号就越平稳，不过同时性能开销就越大；一般来说PWM的频率在几kHz到几十kHz之间。）

占空比：q=Ton/Ts( Ton是高电平的时间，Ts是一个周期的时间。q就是高电平时间相对于整个周期时间的比例）；占空比决定了PWM等效出的模拟电压的大小。一般用百分比表示。

分辨率：占空比的变化步距；分辨率就是占空比变化的精细程度。即，占空比最小能以百分之多少的精度变化，它的值可以是1%、0.1%。分辨率的大小要看实际项目的需求定。如果既要高频率，又要高分辨率，就需要硬件电路要有足够的性能。要求不高的情况下，1%的分辨率就足够使用了。

2.输出比较通道

2.1.结构原理图

输出比较通道（通用）

上图对应的是通用定时器电路里的下图红框部分电路，左边是CNT和CCR比较的结果，右边是输出比较电路，最后通过TIM_CH1输出到GPIO引脚上，然后下面还有三个同样的单元，分别输出到CH2、CH3、CH4。

主要流程说明：ETRF输入是定时器的一个小功能，一般不用，不需要了解/CNT和CCR1比较产生信号——传入输出模式控制器——改变OC1REF的高低电平——映射到主模式的控制器/主要是通往TIMx_CCER(极性选择，高低电平是否翻转)——输出使能，选择通道——通道输出.

输出比较通道（高级）

OC1和OC1N是互补输出。死区发生器是防止两个输出同时打开，发热损耗。

2.2.模式分类

冻结模式：设置后输出停止，高低电平不变。
有效电平和无效电平通常用于高级定时器的说法关断、刹车功能配合表述的，可当成高低电平控制看待。
电平翻转：比如设置CCR=0时候，每次CNT更新清0就会产生一次CNT=CCR的事件，这就会导致输出电平翻转一次，每更新两次，输出为一个周期，占空比始终为50%；改变定时器频率时候，输出波形频率也会随之改变。输出波形的频率=更新频率/2
强制有效/无效电平：想暂停输出，并保存高电平或者低电平。
PWM模式1：频率和占空比都可调
PWM模式2：频率和占空比都可调，二者互为REF电平取反情况。比较灵活。

3.输出PWM波形及参数计算

黄色是ARR（Auto-Reload Register，自动重装载寄存器）ARR寄存器用于存储定时器计数器（CNT）的自动重装载值。当定时器计数器达到ARR的值时，会发生一次更新事件，计数器会重新从零开始计数。
蓝色是CNT（Counter Register，计数器寄存器）CNT寄存器是定时器的实际计数器寄存器，用于记录定时器当前的计数值。
绿色是CCR（Capture/Compare Register，捕获/比较寄存器）CCR寄存器用于捕获或比较模式，主要用于记录捕获事件的计数器值或者与计数器值进行比较。

PWM的一个周期如上图中的下面绿色区段的红线区间，可以看出它始终对应着计数器的一个溢出更新周期，所以PWM的频率就等于计数器的更新频率
当CNT = CCR时电路已经置为低电平，故REF为高电平的时间为CNT从0变到29（30个数）的时间。
CCR的值应设置在0到ARR+1的范围里，CCR=ARR+1时占空比是100%，ARR越大，CCR的范围就越大，对应的分辨率就越大.

参数计算公式如下所示：
PWM频率：即计数器的更新频率 Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
PWM占空比：Duty = CCR / (ARR + 1)
PWM分辨率：即占空比变化的步距 Reso = 1 / (ARR + 1)，以上定义的分辨率是占空比最小的变化步距。ARR越大，CCR的变化范围就越大，分辨率就越高。（占空比变化的越细腻越好）

4.案例所需外设

4.1.案例

1.PWM驱动LED呼吸灯
2.PWM驱动舵机
3.PWM驱动直流电机

4.2.舵机

【舵机简介】
● 舵机是一种根据输入PWM信号占空比来控制输出角度的装置
● 输入PWM信号要求:周期为20ms，高电平宽度为0.5ms~ 2.5ms
● 拆解包含：舵机上盖、输出轴、电机减速齿轮组、电位器、舵机内部控制电板、直流电机

【舵机硬件电路】

4.3.直流单机

【直流电机简介】
● 直流电机是一种将电能转换为机械能的装置，有两个电极，当电极正接时电机正转，当电极反接时电机反转
● 直流电机属于大功率器件，GPIO口无法直接驱动，需要配合电机驱动电路来操作。
● TB6612是一款双路H桥型的直 流电机驱动芯片，可以驱动两个直流电机并且控制其转速和方向

【直流电机硬件电路】

• VM就是电机电源的正极，和舵机的电源要求是一样的，要接一个可以输出大电流的电源，电压和电机的额定电压保持一致，比如时5v的电机就接5v电压

• VCC是逻辑电平输入端，一般和控制器的电源保持一致。比如使用STM32，是3.3v的器件，就接3.3v

• AO1\AO2\BO1\BO2是两路电机的输出，可以分别接两个电机。AO1和AO2就是A路的两个输出，它的控制端是上面的三个PWMA、AIN1和AIN2，这三个引脚控制下面的A路电机，对应关系如上图的灰色填充，其中PWMA引脚要接PWM信号输出断PA0，AIN1和AIN2引脚可以任意接两个普通的GPIO口，这三个引脚给一个低功率的控制信号，驱动电路就会从VM汲取电流来输出到电机，这样就能完成低功率的控制信号控制大功率设备的目的。右边的BO1及BO2这一路也是和A路的功能和操作方法是完全一样的。

• STBY引脚意为Stand By，为待机控制引脚。如果接GND，芯片就不工作，处于待机状态。如果接到逻辑高电平VCC（3.3V）芯片就正常工作。如果不需要待机模式的话可以直接接VCC3.3v，如果需要控制可以接入任意一个GPIO口，给高低电平就可以进行控制。