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6.2 STM32模块开发-PWM

前言

这里主要讲解 Breeze Mini 的PWM输出功能模块，完整代码在工程目录下的 Modules 子目录下的 stm32f10x_module_motor.c 和 stm32f10x_module_motor.h 中，该代码主要用于产生具有不同占空比的PWM信号来控制空心杯电机的速度大小。

相关知识

PWM简介

PWM(Pulse Width Modulation) 叫做 脉冲宽度调制，是一种利用数字输出来控制模拟电路的方法，简单来说就是对脉冲的宽度进行控制。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行 数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。其具体波形如下所示：

占空比 是PWM中非常重要的参数，其定义为上图中 "可变的脉冲宽度" 与 "恒定的脉冲周期" 的比值。例如占空比为50%即高电平占整个周期时间的一半。本质上我们所调节的PWM的占空比，在非常短的时间(一个周期)内，让IO口一段时间输出高电平，一段时间输出低电平，由于时间非常短，当输出低电平的时候电机还没来得及停止转动，这时候高电平又来了，结果就是电机比正常(占空比为1)转的时候要慢，同理如果让占空比越大电机速度就越快，占空比为1时速度最快，为0时电机停止转动。

在PWM调速系统中，一般可以采用 定宽调频、调宽调频 和 定频调宽 3种方法来改变脉冲的占空比，但是前两种方法在调速时改变了控制脉宽的周期，从而引起控制脉冲频率的改变，当该频率与系统的固有频率接近时将会引起系统振荡。所以常采用 定频调宽法 来改变占空比。

定频调宽调速 是在脉冲波形的频率不变的前提下(脉冲波形的周期不变)，通过改变一个周期波形内高电平的时间从而改变占空比，进而由 等效原理 可知在一个脉冲周期中的平均电压也会发生改变，使得电机转速发生变化。假定电机始终接通电源时，电机最大转速为Vmax, 占空比为D = t / T, 则电机的平均速度Vd = D * Vmax。由公式可知当改变占空比D = t /T 时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。

STM32的PWM外设

STM32的PWM输出信号都是通过定时器产生的，除了TIM6和TIM7，其他的定时器都能够产生PWM输出。其中高级定时器TIM1能够产生最多7路的PWM信号输出，通用定时器能够产生最多4路的PWM信号。为了能够对STM32的PWM信号的产生有更深入地理解，这里先介绍与PWM有关的寄存器。

由于STM32的PWM信号是通过定时器产生的，所以如果要使用通用定时器TIM来产生PWM输出，除了要了解 STM32驱动开发-通用与高级定时器 中所讲解的寄存器外，还要介绍3个寄存器，这3个寄存器分别是 捕获/比较模式寄存器(TIMx_CCMR[1...2])、捕获/比较使能寄存器(TIMx_CCER) 和 捕获/比较寄存器(TIMx_CCR[1...4])。

TIMx_CCMR寄存器

该寄存器共有2个，分别为TIMx_CCMR1和TIMx_CCMR2。其中TIMx_CCMR1控制通道1和2(CH1, CH2)，TIMx_CCMR2控制通道3和4(CH3, CH4)，下图为该寄存器的各位描述：

该寄存器的有些位在不同模式下的功能是不一样的，对该寄存器的详细说明，可以参考 STM32寄存器手册 第288页，14.4.7一节。这里要额外说明的是 模式设置位OCxM，该设置位由3个二进制位组成，所以一共可以配置成7种模式，我们这里使用的是PWM模式，所以需要设置成 110 或者 111，即下图中红框框选部分：

设置成 110 和 111 的差别仅在于 会使得输出电平的极性相反。从上图还可以看出 存在 有效电平 和 无效电平 两种电平标准，此时通过设置输出极性，来确定有效电平是高电平还是低电平。如下图所示：

当 CC1 位0时，有效电平为 高电平，否则为 低电平。

TIMx_CCER寄存器

该寄存器控制各个输入输出通道的开关，其各位描述如下图所示：

该寄存器使用起来比较简单，想要定时器从第几个通道输出PWM信号，就置第几个CC[1...4]E为1，比如想要从通道2输出PWM信号，就需要将 CC2E 置为1，更加详细的用法可以参考 STM32寄存器手册 第292页，14.4.9一节。

TIMx_CCR寄存器

TIMx_CCR一共有4个，分别对应4路输出通道，该寄存器的各位描述为：

在输出模式下，该寄存器的值会与CNT的值进行比较，根据比较结果来产生相应的动作。修改该寄存器的值就可以控制PWM的输出脉宽。

STM32产生PWM过程

在前面对每个相关寄存器进行单独讲解后，现以 "向上计数模式" 来讲解上述寄存器是如何相互配合进而产生出PWM信号的，先看下图：

定时器重装载值为ARR，比较值CCRx，t时刻对计数器值和比较值进行比较，如果计数器值小于CCRx值，则输出低电平；如果计数器值大于CCRx值，则输出高电平。结合上图分析可知，在PWM的一个周期内：

1. 定时器从0开始向上计数

2. 在0-t1段，定时器计数器TIMx_CNT值小于CCRx值，输出低电平

3. 在t1-t2段，定时器计数器TIMx_CNT值大于CCRx值，输出高电平

4. 当TIMx_CNT值达到ARR时，定时器溢出，重新向上计数...循环此过程

至此一个PWM周期完成，同时也可以知道ARR的值决定 PWM周期(在时钟频率一定的情况下，当前为默认内部时钟CK_INT) ，CCRx的值决定 PWM占空比(高低电平所占整个周期比例)。

另外若定时器配置成 PWM1模式(即当CNT<CCRx时输出有效电平)，此时若要产生上图这种波形，需要设置 有效电平 为低电平，即置CCER寄存器的CCx为1。若配置成 PWM2模式(即当CNT<CCRx时输出无效电平)，此时若要产生上图这种波形，需要设置 有效电平 为高电平，即置CCER寄存器的CCx为0。总结来说就是 工作模式 和 输出极性 决定了波形输出是 "前高后低" 型的，还是 "前低后高" 型的。

库函数配置PWM

PWM相关的库函数在 FWLib 目录下的 stm32f10x_tim.c 和 stm32f10x_tim.h 中。这里以定时器的TIM3通道3输出PWM信号为例介绍使用固件库产生PWM的方法。首先像前面介绍的代码一样要先使能对应APB总线下的外设时钟(TIM3是APB1总线下的外设)：

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

然后设置输出的GPIO口，由于TIM3的通道3在默认GPIOB的第0口输出，故代码如下：

GPIO_InitTypeDef        GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

接着是设置TIM3的ARR和PSC两个寄存器的值来控制生成的PWM信号的周期，这一步实际上就是配置产生PWM信号的TIM3定时器的定时溢出周期，这个在前面介绍定时器时已经介绍过了，这里就直接给出代码：

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period        = arr;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler     = psc;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode   = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

接着需要设置TIM3_CH3为PWM输出模式(默认)，这里官方库提供 TIM_OC1Init()~TIM_OC4Init() 4个函数来分别独立设置4个通道的工作模式，这里使用的是通道3，所以使用的函数是：

void TIM_OC3Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);

这种初始化外设函数的声明结构已经多次出现了，想必读者已经非常熟悉了，TIM_OCInitTypeDef 的类型定义为：

typedef struct
{
    uint16_t TIM_OCMode;
    uint16_t TIM_OutputState;
    uint16_t TIM_OutputNState;
    uint16_t TIM_Pulse;
    uint16_t TIM_OCPolarity;
    uint16_t TIM_OCNPolarity;
    uint16_t TIM_OCIdleState;
    uint16_t TIM_OCNIdleState;
} TIM_OCInitTypeDef;

这里主要介绍3个会用到的成员变量：TIM_OCMode 用来设置工作模式是 PWM 还是 输出比较。TIM_OutputState 用来使能PWM输出到端口，TIM_OCPolarity 用来设置输出极性的高低。其他的成员变量只有高级定时器才会用到(TIM3是通用定时器)。这样要实现功能的初始化代码为：

TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode      = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse       = 0;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity  = TIM_OCPolarity_High;

最后只需要使能TIM3即可：

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

虽然此时PWM已经开始输出了，但是信号的占空比和频率都是固定的，如果想要在初始化之后修改PWM的占空比，可以通过修改TIM3_CCR3寄存器的值来实现。官方库提供修改TIM_CCR3的函数为：

void TIM_SetCompare3(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare3);

这样就可以控制TIM3的通道3输出PWM信号了。

硬件连接

Breeze Mini 硬件上4个电机控制信号线分别连接在 GPIOA.0、GPIOA.1、GPIOB.0 和 GPIOB.1 上，该部分原理图如下所示：

软件设计

完整代码在工程目录下的 Modules 子目录下的 stm32f10x_module_motor.c 和 stm32f10x_module_motor.h 中。

PWM初始化

void Motor_Init(void)
{
    u16                     prescaler = (u16)(SystemCoreClock / 24000000) - 1;
    GPIO_InitTypeDef        GPIO_InitStructure;
    TIM_OCInitTypeDef       TIM_OCInitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2 | RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    TIM_DeInit(TIM2);
    TIM_DeInit(TIM3);
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period        = 999;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler     = prescaler;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode   = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode      = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse       = 0;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity  = TIM_OCPolarity_High;

    TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
    TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
    TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
    TIM_OC4Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

    TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
    TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
    TIM_OC3PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
    TIM_OC4PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);

    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

现在对上述代码进行分拆讲解，首先该代码定义了相关外设初始化结构体变量：

u16                     prescaler = (u16)(SystemCoreClock / 24000000) - 1;
GPIO_InitTypeDef        GPIO_InitStructure;    //PWM外设输出口初始化变量
TIM_OCInitTypeDef       TIM_OCInitStructure;   //定时器输出比较初始化变量
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; //定时器定时初始化变量

接着由于 Breeze Mini 的4路PWM输出分别使用的是TIM2的通道1和2，TIM3的通道3和4，GPIO口使用了GPIOA和GPIOB的各两个端口，所以使能APB总线外设时钟的代码为：

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2 | RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

按照PWM输出要求，GPIO口的输出模式要设置成 GPIO_Mode_AF_PP(复用推挽输出)模式，另外输出的GPIO口分别为PA0、PA1、PB0和PB1，所以代码如下：

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

为了能够重新配置定时器，先复位TIM2和TIM3的配置：

TIM_DeInit(TIM2);
TIM_DeInit(TIM3);

接下来设置定时器产生PWM波形的周期和计数模式，由于设计的 Breeze Mini PWM的设置值，也就是CCRx值的范围为100~1000，且有：

$$CCRx = (TIM_{Period} + 1) * D$$

D为占空比，易知当D = 1时，CCRx取最大值1000，由上式可得到：

$$TIM_{Period} = 999$$

而PWM波形周期T的计算公式为：

$$T = \frac{(TIM_{Period} + 1) * (TIM_{Prescaler} + 1)}{TIM_{CLK}}$$

且当$TIM_{Period} < 65535$时，设置$TIM_{Prescaler} = 2$，而$TIM_{CLK}$表示定时器的时钟频率，由于设置不分频，则TIM2和TIM3的时钟频率和系统时钟频率相同，均为72MHz，也即：

$$TIM_{CLK} = 72000000$$

将得到的$TIM_{Period} = 999$、$TIM_{Prescaler} = 2$、$TIM_{CLK} = 72000000$代入到PWM波形计算公式解得：

$$T = 41.67us$$

故代码如下：

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period        = 999;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler     = prescaler;          //prescaler=2
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode   = TIM_CounterMode_Up; //向上计数
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

接着设置比较输出的模式，由于要求生成的PWM波形为 "前高后低" 型，采用的是 PWM1模式(TIM_OCMode_PWM1) 的话，需要设置输出极性为 有效电平为高电平(TIM_OCPolarity_High)，故代码如下：

TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode      = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse       = 0;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity  = TIM_OCPolarity_High;

接着初始化各通道的 输出比较模式 并 使能输出比较的预加载功能：

TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
TIM_OC4Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_OC3PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_OC4PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);

最后使能TIM2和TIM3来产生PWM波形：

TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

参考

• STM32开发指南-库函数版本_V3.1.pdf, 正点原子, ALLENTEK.

• STM32——PWM基本知识及配置过程

• STM32学习笔记-PWM波形输出