输出比较简介

输出比较简介

主要是用来输出PWM波形，这个波形是驱动电机的（智能车和机器人等）必要条件

OC（Output Compare）输出比较，还有IC，全称是Input Capture，意为输入捕获，还有CC，全称是Capture/Compare，一般表示的是输入捕获和输出比较的单元

输出比较可以通过比较CNT与CCR（捕获/比较寄存器）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

这个捕获/比较寄存器是输入捕获和输出比校共用的，当使用输入捕获时，它就是捕获寄存器，当使用输出比较时，它就是比较寄存器，那在输出比较这里，这块电路会比较CNT和CCR的值，CNT计数自增，CCR是我们给定的一个值，当CNT大于CCR、小于CCR或者等于CCR时，TIMx_CH1输出就会对应的置1、置0、置1、置0

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:驱动三相无刷电机的

PWM波形简介

PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制：是一个数字输出信号，也是由高低电平组成的

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

我们让LED不断点亮、熄灭、点亮、熄灭，当这个频率足够大的时候，LED就不会闪烁了，而是呈现一个中等亮度，当我们调控这个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，对于电机调速也是一样的，我们以一个很快的频率，给电机通电、断电、通电、断电，那么电机的速度就能维持在一个中等速度，这就是PWM的基本思想（天下武功，唯快不破）

PWM的应用场景必须要是一个惯性系统，就是说LED在熄灭的时候，由于余晖和人眼视觉暂留现象，LED不会立马熄灭，而是有一定的惯性，过一小段时间才会熄灭，电机也是，当电机断电时，电机的转动不会立马停止，而是有一定的惯性，过一会儿才停

这种高低电平跳变的数字信号，它是可以等效为中间这个虚线所表示的模拟量的，当这个上面电平时间长一点，下面电平时间短一点的时候，那等效的模拟量就偏向于上面（反之亦然）

PWM的频率越快，那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的频率都在几K到几十KHz，这个频率就已经足够快了

占空比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等效出来的模拟电压的大小，占空比越大，那等效的模拟电压就越趋近于高电平，占空比越小，那等效的模拟电压就越趋近于低电平，这个等效关系一般来说是线性的，比如高电平是5V，低电平是0V，那50%占空比就等效于中间电压，就是2.5V，20%占空比就等效于，1/5处的电压，就是1V

那最后一个参数就是分辨率，它等于占空比变化步距，比如有的占空比只能是1%、2%、3%等等这样以1%的步距跳变，那它的分辨率就是1%，所以这个分辨率就是占空比变化的精细程度，这个分辨率需要多高，得看你实际项目的需求，如果你即要高频率，又要高分辨率，这就对硬件电路要求比较高了，不过一般要求不高的话，1%的分辨率就已经足够使用了

定时器的输出比较模块是怎么输出PWM波形的呢？

这里这个图是高级定时器前三个通道的输出比较部分电路

这个图是通用定时器的输出比较部分电路，包括高级定时器的第四个通道和这个结构也基本是一样的，这个图是通用定时器下面这个地方的放大版

左边就是CNT计数器和CCR1第一路的捕获/比较寄存器，它俩进行比较，当CNT>CCR1，或者CNT=CCR1时，就会给这个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（reference的缩写，意思是参考信号）信号实际上就是指这里信号的高低电平，然后上面这里还有个ETRF输入，这个是定时器的一个小功能，一般不用，不需要了解，接着这个REF信号可以前往主模式控制器，你可以把这个REF映射到主模式的TRGO输出上去，不过REF的主要去向还是下面这一路，通过下面这一路到达一个极性选择，给这个寄存器写0，信号就会往上走，就是信号电平不翻转，进来啥样出去还是啥样，写1的话，信号就会往下走，就是信号通过一个非门取反

极性选择：选择是不是要把高低电平反转一下，接着就是输出使能电路了，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，在引脚定义表里就可以知道具体是哪个GPIO口了

输出模式控制器具体是怎么工作的呢？什么时候给REF高电平，什么时候给REF低电平？

下面是输出比较的8种模式，也就是输出模式控制寄存器里面的执行逻辑，这个模式控制器的输入CNT和CCR的大小关系，输出是REF的高低电平，里面可以选择多种模式来更加灵活地控制REF输出，这个模式可以通过寄存器来进行配置

模式	描述
冻结	CNT=CCR时，REF保持为原状态（CNT和CCR无效，REF保持为原状态，比如你正在输出PWM波，突然想暂停一会儿输出，并且高低电平也维持为暂停时刻的状态，保持不变，就可以设置成这个模式）
匹配时置有效电平	CNT=CCR时，REF置有效电平（高电平）
匹配时置无效电平	CNT=CCR时，REF置无效电平（低电平）
匹配时电平翻转	CNT=CCR时，REF电平翻转（这个可以方便地输出一个频率可调，占空比始终为50%的PWM波形，比如你设置CCR为0,那CNT每次更新清0时，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，并且高电平和低电平的时间是始终相等的，也就是占空比始终为50%，当你改变定时器更新频率时，输出波形的频率也会随之改变，它俩的关系是输出波形的频率=更新频率/2，因为更新两次输出才为一个周期，这就是匹配时电平翻转模式的用途）
强制为无效电平	CNT与CCR无效，REF强制为无效电平
强制为有效电平	CNT与CCR无效，REF强制为有效电平
PWM模式1	向上计数：CNT<CCR时，REF置有效电平，CNT≥CCR时，REF置无效电平（用这个） 向下计数：CNT>CCR时，REF置无效电平，CNT≤CCR时，REF置有效电平
PWM模式2	向上计数：CNT<CCR时，REF置无效电平，CNT≥CCR时，REF置有效电平 向下计数：CNT>CCR时，REF置有效电平，CNT≤CCR时，REF置无效电平

这个有效电平和无效电平，一般是高级定时器里面的一个说法，是和关断、刹车这些功能配合表述的，它说的比较严谨

为了理解方便，可以直接认为，置有效电平就是置高电平，置无效电平就是置低电平，这样就行了，这三个模式都是当CNT和CCR值相等时，执行操作

上面这两个相等时置高电平和低电平，感觉用途并不是很大，因为他们都只是一次性的，置完高或低电平后，就不管事了，所以这俩模式不适合输出连续变化的波形，如果你想定时输出一个一次性的信号，那就考虑这两个模式

强制为无效电平和强制为有效电平：这两个模式是CNT与CCR无效，REF强制为无效电平或者强制为有效电平，这两个模式和冻结模式差不多，如果你想暂停波形输出，并目在暂停期间保持低电平或者高电平

PWM1和PWM2这两个模式就很重要了，它们可以用于输出频率和占空比都可调的PWM波形，也是我们主要使用的模式

PWM2实际上就是PWM1输出的取反，改变PWM模式1和PWM模式2，就只是改变了REF电平的极性而已

从上面这个图125里可以看到，REF输出之后还有一个极性的配置，所以使用PWM模式1的正极性和PWM模式2的反极性最终的输出是一样的，这里设计的比较灵活，输出模式里可以设置极性，最终输出之前也可以设置极性，所以使用的话，我们可以只使用PWM模式1，并且是向上计数这一种模式就行了，那这种模式是怎么输出频率和占空比都可调的PWM波形的呢

只是计数器那附近的更新事件的中断申请，我们不需要了，输出PWM暂时还不需要中断

配置好了时基单元，这里的CNT就可以开始不断地自增运行了

下面就是输出比较单元了，总共有4路，输出比较单元的最开始，是CCR（我们自己设置的）捕获/比较寄存器，CNT不断自增运行，同时它俩还在不断进行比较，后面这个就是输出模式控制器了，以PWM模式1为例子来讲解了

这里蓝色线是CNT的值，黄色线是ARR的值，蓝色线从0开始自增，一直增到ARR，也就是99，之后清0继续自增，在这个过程中，我们再设置一条红色线，这条红色线就是CCR，比如我们设置CCR为30，之后再执行输出模式控制器的这个逻辑，下面绿色线就是输出，可以看到，在这一块，CNT<CCR，所以置高电平，之后这里，CNT就≥CCR了，所以就变为低电平，当CNT溢出清0后，CNT又小于CCR，所以置高电平，这样一直持续下去，REF的电平就会不断变化，并且它的占空比是受CCR值的调控的，如果CCR设置高一些，输出的占空比就变大

这里REF，就是一个频率可调，占空比也可调的PWM波形，最终再经过极性选择，输出使能，最终通向GPIO口，这样就能完成PWM波形的输出了

PWM波形参数的计算

PWM频率： $Freq=CK\_PSC/(PSC+1)/(ARR+1)$ 等于计数器的更新频率
PWM占空比： $Duty=CCR/(ARR+1)$
PWM分辨率： $Reso=1/(ARR+1)$ 占空比最小的变化步距，总之就是占空比变化的越细腻越好

从上面这个图可以看出，CCR的值应该设置在0到ARR+1这个范围里，CCR=ARR+1时，占空比就正好是100%，如果CCR再大一些，那占空比就始终是100%，没有意义了，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

上图高级定时器部分自己了解就好

分辨率的理解：

分辩率：是指PWM最小能设定到的高电平时间所占周期的比例，也即最小占空比，意思就是把一个周期的时间分成了多少份，如果是10份，那么占空比的精度就为10%。如果分成1000份，那么占空比的精度就为0.1%。譬如频率为600HZ的PWM，若最小能给到的时钟是60kHZ，则分辨率即为(1/60k)/(1/600)=1%。在同一个系统中，由于时钟不变，提高频率，则周期变小，分辨率会变大。
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舵机

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

舵机三根输入线，两根电源线，一根信号线，我们的PWM就是输入到这个信号线，来控制舵机的，有一个白色的输出轴，它的轴会固定在一个指定的角度不动，至于固定在哪个位置，是由信号线的PWM信号来决定的

PWM信号输入到控制板，给控制板一个指定的目标角度，然后这个电位器检测输出轴的当前角度，如果大于目标角度，电机就会反转，如果小于目标角度，电机就会正转，最终使输出轴固定在指定角度（总之就是输入一个PWM波形，输出轴固定在一个角度）

这是180度的舵机

把PWM当成一个通信协议，也是一个比较常见的应用，因为很多控制器都有PWM输出的功能，而且PWM只需要一根信号线就行了

电源正的5V，这个是电机的驱动电源，一般电机都是大功率设备

它的驱动电源也必须是一个大功率的输出设备，如果能像这样单独提供供电，那就再好不过了，如果不能也要看电源的功率是不是能达标

对于我们套件的话，可以直接从STLINK的5V输出脚，引一根线，接到这里，这样就是使用USB的5V供电，也是可以带的动的

因为这个舵机内部是有驱动电路的，所以我们单片机的引脚可以直接接到这里来，我们这个PWM只是一个通信线是不需要PWM的

直流电机

因为这个直流电机是一个单独的电机，里面没有驱动电路，所以我们要外挂一个驱动电路来控制

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

我们套件里的电机，型号是130直流电机

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

电机驱动电路也是一个研究课题，现在市面上也有很多驱动电路可以选择，比如TB6612，DRV8833，L9110，L298N等等，另外还有一些用分离元件MOS管搭建的电路，这个功率可以做的更大一些，当然你也可以自己用MOS管来设计电路

上面的芯片就是TB6612，外围电路就只需要三个滤波电容就行了，可见这个芯片的集成度还是非常高的，基本上不需要我们再加什么东西了

然后上面这个就是H桥电路的基本结构，它是由两路推挽电路组成的，这个我们刚才也分析过，比如左边这个，上管寻导通，下管断开，那左边输出O1就是接在VM的电机电源正极，下管导通，上管断开，那就是接在PGND的电源负极，如果由两路推挽电路，中间这里接一个电机左上和右下导通，那电流就是这样的，从左边流向右边，右上和左下导通，那电流方向就反过来了，从右边流向左边，H桥可以控制电流流过的方向，所以它就能控制电机的正反转

TB6612是一款双路H桥型（里面一路有四个开关管，所以就可以控制正反转）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（我们使用这个）

TB6612的使用

这里左下角VM,就是电机电源的正极，这个和刚才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（这个电压一般和你的电机额定电压保持一致，比如如果你是5V的电机，这里就接5V，如果你是7.2V的电机，这里就接7.2V）

然后下一个引脚是VCC，这个是逻辑电平输入端，范围是2.7V到5.5V，这个要和我们控制器的电源保持一致，比如你使用STM32，是3.3V的器件，那就接3.3V，如果是51单片机，是5V的器件，那就接5V，这个引脚不需要大功率，所以可以和控制器共用一个电源。

然后第三个脚是GND，这个就接系统的负极就行了，然后板子这右边还有两个GND，这个都是一样的引脚，在板子内部都是连通的，随便选一个GND用就可以

然后继续看，这里AO1、AO2（A路的两个输出，它的控制端就是PWMA（要接PWM信号输出端），AIN2，AIN1（这两个引脚可以任意接两个普通的GPIO口），这三个引脚直接接到单片机的GPIO口就行了，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了）、BO1、BO2就是两路电机的输出了（那个M代表电机）

STBY(Stand By)引脚，这个是待机控制脚，如果接GND，芯片就不工作，处于待机状态，如果接逻辑电源VCC，芯片就正常工作，这个引脚如果不需要待机模式的话，可以直接接VCC，3.3V，如果需要的话，可以任意接一个GPIO，给高低电平就可以控制了

那这三个脚是如何控制电机正反转和速度的呢？

看下面的下面这张表

这里输入是IN1、IN2、PWM、和STBY，STBY低电平就待机，高电平就正常工作，这个不用看了，然后右边是输出，O1，O2和模式状态，如果IN1和IN2全部接高电平，两个输出就都为低电平，这样两个输出没有电压差，电机是不会转的，如果它们全部接低电平，输出直接关闭，这样电机也是不会转的，这里如果IN1给低电平，IN2给高电平，电机就是处于反转状态，转还是不转，要取决于PWM，如果PWM给高电平，那输出就是一低一高，有电压差了，电机可以转，这时候定义的是反转，开始转了，如果PWM给低电平，那输出两个低电平，电机还是不转，这就是反转的逻辑，IN1给低，IN2给高，PWM高转低不转，如果PWM是一个不断翻转的电平信号，那电机就是快速地反转、停止、反转、停止，如果PWM频率足够快，那电机就可以连续稳定地反转了，并且速度取决于PWM信号的占空比（使用PWM来等效一个模拟量）正转同理