【stm32】TIM定时器输出比较-PWM驱动LED呼吸灯/舵机/直流电机

一、输出比较简介

1、OC（Output Compare）输出比较

• 输出比较可以通过比较CNT与CCR寄存器值的关系，来对输出电平进行置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
• 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简介

• PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制
• 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
• PWM参数：
  频率 = 1 / T(S)
  占空比 = T(ON) / T(S）
  分辨率 = 占空比变化步距
  
  占空比决定了PWM等效出来的模拟电压的大小，占空比越大，等效的模拟电压就越趋近于高电平

如：此时高电平是5V，低电平是0V，50%占空比就等效于中间电压2.5V，20%占空比就等效于1/5处的电压1V

3、输出比较通道(高级)

4、输出比较通道(通用)

CCR（Capture Compare Register）:捕获比较寄存器

\quad 左边是CNT计数器和CCR1第一路的捕获/比较寄存器，这两者之间进行比较，当CNT>CCR1，或者CNT=CCR1时，就会给输出模式控制器传一个信号，然后输出模式控制器就会改变它输出OC1REF的高低电平， REF信号实际上就是指图上oc1ref信号的高低电平，ETRF输入，是定时器的一个小功能（不需了解），此时高低电平输出到极性选择上（主模式控制器较少使用），给CC1P寄存器写0，信号走上面那路，就是信号电平不翻转，写1的话，信号走下面那路，信号通过一个非门取反，输出的信号就是输入信号高低电平反转的信号，这就是极性选择，即选择是否要把高低电平反转，接着走到输出使能电路，选择要不要输出，最后就是OC1引脚，这个引脚就是CH1通道的引脚。

5、输出比较模式

解释上图：
冻结即PWM暂停输出，有效电平即高电平，无效电平即低电平
PWM模式2和PWM模式1的区别在于比较值相同时，REF的高低电平相反，由此可以看出PWM模式2实际上就是PWM模式1输出的取反，改变PWM模式1和PWM模式2，就是改变REF电平的极性

6、PWM基本结构

蓝线为CNT值，黄线ARR值，红线为CCR值
占空比受CCR值调控， CCR值越大，占空比越大，反之输出的占空比越小
上图的REF是一个频率可调，占空比也可调的PWM波形

配置好时基单元后CNT自增运行，CCR由程序员自行设定，当CNT在自增运行时，CNT与CCR不断进行比较

配置步骤：

1、RCC开启时钟，打开TIM外设和GPIO外设的时钟；
2、配置时基单元，包括时钟源选择；
3、配置输出比较单元，包括CCR的值、输出比较模式、极性选择、输出使能等参数；
4、配置GPIO，把PWM对应的GPIO口，初始化为复用推挽输出的配置；
5、运行控制，启动计数器，输出PWIM。

配置PWM的GPIO口时需使用复用推挽输出，原因是：
\quad 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（如下图1），如果想让定时器来控制引脚，就需要使用复用开漏/推挽输出的模式，在这里输出数据寄存器将被断开（如下图2），输出控制权将转移给片上外设，通过引脚定义表可知，这里片上外设引脚连接的是TIM2的CH1通道，所以只有把GPIO设置成复用推挽输出，引脚的控制权才能交给片上外设，PWM波形才能通过引脚输出。
图1:

图2:

要得到一个1KHZ，占空比50%，分辨率为1%的波形，计算如下:

程序代码：PWM驱动LED呼吸灯

// pwm.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid PWM_Init(void)
{RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;        //GPIO_Pin_15;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);TIM_InternalClockConfig(TIM2);TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;        //　ARRTIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1;    //PSCTIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure); // 给TIM_OCInitStructure结构体赋初始值，不使用的参数就可不配置TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;  // 设置输出比较的模式    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; // 设置输出比较的极性TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;  // 设置输出使能TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;        // 设置CCR初始值（若使用TIM_SetCompare1函数设置了CCR寄存器的值时，此参数可不设置）TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare)
{TIM_SetCompare1(TIM2, Compare);
}// main.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "PWM.h"uint8_t i;int main(void)
{OLED_Init();PWM_Init();while (1){for (i = 0; i <= 100; i++){PWM_SetCompare1(i); // 这里设置的是CCR寄存器的值，占空比是由CCR和ARR共同决定的Delay_ms(10);}for (i = 0; i <= 100; i++){PWM_SetCompare1(100 - i);Delay_ms(10);}}
}

7、参数计算

• PWM频率（计数器更新频率公式）： Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
  上图可以看出，PWM的一个周期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
• PWM占空比： Duty = CCR / (ARR + 1)
  30/(99+1) = 30%
• PWM分辨率： Reso = 1 / (ARR + 1)
  • CCR 的值范围是在0到ARR的值范围内，所以CCR的变化范围取决于ARR的值，ARR越大，CCR的范围就越大，对应的分辨率就越大。
  • 上面公式定义的分辨率是占空比最小的变化步距，使用的是ARR的值，ARR值越大，分辨率越小，占空比变化越细腻。

8、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

周期为20ms，频率：1/20ms = 50HZ

硬件电路：


同一个定时器不同通道输出PWM的特点：
\quad 若想要同一定时器的多通道输出PWM，使用对应通道的函数即可，需要注意的是，对于同一个定时器的不同通道输出的PWM，因为不同通道共用一个计数器，所以这几个通道的频率必须是一样的；这几个通道的占空比由各自的CCR决定，可自行设定；还由于计数器更新，所有PWM同时跳变，所以这几个通道的相位是同步的

程序代码：PWM驱动舵机

// PWM驱动舵机
// pwm.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid PWM_Init(void)
{RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);  // PA1对应TIM2通道2TIM_InternalClockConfig(TIM2);TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 20000 - 1;        //ARRTIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;        //PSCTIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;        //CCRTIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);  // 初始化通道2TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}void PWM_SetCompare2(uint16_t Compare)
{TIM_SetCompare2(TIM2, Compare);
}
// Servo.c  舵机模块
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "PWM.h"void Servo_Init(void)
{PWM_Init();
}void Servo_SetAngle(float Angle)
{PWM_SetCompare2(Angle / 180 * 2000 + 500);
}
// main.c
// 按下按键，舵机每次加30°，超180°后重新置0°
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Servo.h"
#include "Key.h"uint8_t KeyNum;
float Angle;int main(void)
{OLED_Init();Servo_Init();Key_Init();OLED_ShowString(1, 1, "Angle:");while (1){KeyNum = Key_GetNum();if (KeyNum == 1){Angle += 30;if (Angle > 180){Angle = 0;}}Servo_SetAngle(Angle);OLED_ShowNum(1, 7, Angle, 3);}
}

9、直流电机及驱动简介

• 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
  
  硬件电路：

程序代码：PWM驱动直流电机

// PWM驱动直流电机
// motor.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "PWM.h"void Motor_Init(void)
{RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);PWM_Init();
}void Motor_SetSpeed(int8_t Speed)
{if (Speed >= 0)  // 正转{GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);PWM_SetCompare3(Speed);}else   // 反转{GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);PWM_SetCompare3(-Speed);}
}
// pwm.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device headervoid PWM_Init(void)
{RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);TIM_InternalClockConfig(TIM2);TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;        //ARRTIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 36 - 1;        //PSCTIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;        //CCRTIM_OC3Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}void PWM_SetCompare3(uint16_t Compare)
{TIM_SetCompare3(TIM2, Compare);
}
// main.c
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Motor.h"
#include "Key.h"uint8_t KeyNum;
int8_t Speed;int main(void)
{OLED_Init();Motor_Init();Key_Init();OLED_ShowString(1, 1, "Speed:");while (1){KeyNum = Key_GetNum();if (KeyNum == 1){Speed += 20;if (Speed > 100){Speed = -100;}}Motor_SetSpeed(Speed);OLED_ShowSignedNum(1, 7, Speed, 3);}
}

附加：引脚重映射

把TIM2的CH1从PA0重映射到PA15引脚，使用AFIO

使用的函数：

查数据手册：重映射方式和引脚对应关系，把PA0改到PA15，可以选择部分重映射方式1或者完全重映射

配置参数选择：

注意：使用引脚重映射时要注意引脚默认复用的是普通GPIO口还是调试端口，若是调试端口需先关闭调试端口的复用
\quad PA15上电后默认复用为调试端口JTDI，如果要让PA15作为普通的GPIO或者复用定时器的通道，需要先关闭调试端口的复用，使用GPIO_PinRemapConfig函数进行关闭，参照下表

1、把PA15，PB3，PB4当作普通IO使用需配置的
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);　// 开启AFIO RCC时钟
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE); // 解除JTAG的使用（PA15，PB3，PB4），，保留SWD的使用2、重映射定时器或者其他外设的复用引脚需配置的（重映射引脚默认复用端口不是调试端口的情况）
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);　// 开启AFIO RCC时钟
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2, ENABLE); // 配置重映射引脚（对照数据手册），选择部分重映射13、重映射定时器或者其他外设的复用引脚需配置的（重映射引脚是调试端口的情况）
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);　// 开启AFIO RCC时钟
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2, ENABLE); // 配置重映射引脚（对照数据手册），选择部分重映射1
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE); // 解除JTAG的使用（PA15，PB3，PB4），，保留SWD的使用