实现 STM32 PWM 输出：原理、配置与应用详解

实现 STM32 PWM 输出：原理、配置与应用详解

在嵌入式开发领域，STM32 微控制器凭借其强大的功能和丰富的外设资源，被广泛应用。PWM（脉冲宽度调制）作为 STM32 的重要功能之一，对于电机调速、LED 调光、信号合成等场景不可或缺。本文深入解析 STM32 的 PWM 协议，从原理到代码实现，再到实际应用，助你全面掌握这一关键技术。

一、PWM 基础原理

PWM 信号是一种脉冲信号，其频率保持恒定，但脉冲的宽度（即高电平持续时间）可变。它通过周期（T）和占空比（D）两个关键参数来定义。周期是 PWM 信号重复一次所需的时间，而占空比则是高电平时间（ton）与周期的比率，用百分比表示。计算公式为：D = ton / T × 100%。

例如，在电机调速中，较高的占空比意味着电机获得的平均电压更大，从而转速更快。通过精准控制 PWM 信号的占空比，可以实现对各种设备的精细调节。

二、STM32 的 PWM 硬件基础

STM32 内置定时器是实现 PWM 功能的核心硬件。定时器在 PWM 模式下，会产生周期性和宽度可调的脉冲信号。它通过自动重装载寄存器（ARR）设定 PWM 周期，利用捕获比较寄存器（CCR）确定脉冲宽度。

不同系列的 STM32 微控制器配备多种定时器，通用定时器（如 TIM2 - TIM5）和高级定时器（如 TIM1）都支持 PWM 输出，且具有不同的通道数量和特性，为开发者提供了灵活的硬件选择。

三、STM32 PWM 配置步骤

1. 开启时钟与 GPIO 配置

   • 首先，要通过调用 __HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE() 函数开启对应 GPIO 端口的时钟，确保 GPIO 能正常工作。例如，若使用 PB0 引脚输出 PWM 信号，则开启 GPIOB 时钟。
   • 接着，使用 HAL_GPIO_Init() 函数配置 GPIO 引脚为复用推挽输出模式（GPIO_MODE_AF_PP），以便将定时器的 PWM 信号输出到该引脚。

2. 定时器初始化

   • 调用 HAL_TIM_PWM_Init() 函数对定时器进行初始化。需设置定时器的时钟频率、计数周期（自动重装载寄存器 ARR 的值）等参数。例如，设定 ARR 为 999，则在定时器时钟频率为 10 kHz 时，PWM 周期为 100 ms（10000 Hz / (999 + 1)）。

3. PWM 通道配置

   • 使用 HAL_TIM_PWM_ConfigChannel() 函数配置定时器的 PWM 通道。指定通道号（如 TIM_CHANNEL_1）、脉冲宽度（捕获比较寄存器 CCR 的初始值）、极性（正极性或负极性）等参数。例如，设置 CCR 为 500，占空比即为 50%（500 / (999 + 1) × 100%）。

4. 启动 PWM 输出

   • 最后，调用 HAL_TIM_PWM_Start() 函数启动指定通道的 PWM 输出，使能定时器的 PWM 信号产生与引脚输出。

四、示例代码与解析

#include "stm32f1xx_hal.h"TIM_HandleTypeDef htim2;void TIM2_PWM_Init(void)
{// 定时器时钟配置__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();// GPIO 配置GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);// 定时器初始化htim2.Instance = TIM2;htim2.Init.Prescaler = 999; // 预分频器设置，定时器时钟频率为 10 kHzhtim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;htim2.Init.Period = 999;   // 自动重装载寄存器值，PWM 周期为 100 mshtim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);// PWM 通道配置TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;sConfigOC.Pulse = 500;    // 初始脉冲宽度，占空比 50%sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);// 启动 PWM 输出HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}int main(void)
{HAL_Init();SystemClock_Config();TIM2_PWM_Init();while (1){// 可在此添加其他功能代码}
}

在示例代码中，我们首先配置了 GPIOA 的 PA0 引脚为复用推挽输出模式，用于输出 PWM 信号。然后初始化 TIM2 定时器，设置其预分频器和自动重装载寄存器值，确定 PWM 的周期和频率。接着配置 TIM_CHANNEL_1 通道的 PWM 参数，包括模式、脉冲宽度和极性等。最后启动该通道的 PWM 输出，使能定时器产生 PWM 信号。

五、常见应用场景

1. 电机调速

   • 通过改变 PWM 的占空比，调节电机两端的平均电压，从而实现对电机转速的控制。例如，在直流电机驱动电路中，将 PWM 信号作用于电机驱动芯片的使能端，占空比越大，电机转速越快。

2. LED 调光

   • 利用 PWM 信号驱动 LED，人眼对 LED 的亮度感知与 PWM 占空比相关。高占空比使 LED 更亮，低占空比则使 LED 变暗，实现平滑的亮度调节。

3. 信号合成与模拟

   • PWM 信号经低通滤波器后，可生成近似直流或正弦信号，用于音频信号合成、模拟电压源等场景。

六、注意事项与调试技巧

1. 时钟配置

   • 确保定时器的时钟频率配置正确，因为它直接影响 PWM 的频率。若时钟频率设置不当，可能无法获得预期的 PWM 周期。

2. 占空比计算精度

   • 在计算占空比时，要准确考虑自动重装载寄存器（ARR）的值，避免因整数运算误差导致占空比不准确。

3. 调试工具使用

   • 使用示波器观察 PWM 信号的波形，直观地检查其频率、占空比是否符合预期。同时，可通过修改代码中的 CCR 值，实时观察 PWM 信号的变化，快速定位问题。

掌握 STM32 的 PWM 协议与应用，能为你在嵌入式项目开发中带来更多可能性，无论是简单的 LED 控制还是复杂的电机驱动系统，都能得心应手。不断实践与探索，你将能挖掘出 STM32 PWM 更多的潜力，创造出更具创新性的应用。