三、定時器PWM輸出實驗

1. 通用定時器PWM概述

PWM，英文名Pulse Width Modulation，是脈沖寬度調制縮寫，它是通過對一系列脈沖的寬度進行調制，等效出所需要的波形（包含形狀以及幅值），對模擬信號電平進行數字編碼，也就是說通過調節占空比的變化來調節信號、能量等的變化，占空比就是指在一個周期內，信號處于高電平的時間占據整個信號周期的百分比，例如方波的占空比就是50%。PWM的功能有很多種，比如控制呼吸燈、控制直流電機或者舵機等驅動原件等等，是單片機的一個十分重要的功能。

在STM32單片機中，可以使用定時器的輸出比較功能來產生PWM波：

即PWM模式可以產生一個由TIMx_ARR寄存器確定頻率、由TIMx_CCRx寄存器確定占空比的信號。其框圖如下圖所示：

可見，橫坐標是時間變量，縱坐標是CNT計數值，CNT計數值隨著時間的推進會不斷經歷從0到ARR，清零復位再到ARR的這一過程。這之中還有一個數值是CCRx即比較值，通過比較值和輸出配置可以使之輸出高低電平邏輯，這樣就產生了PWM波形。通過調節ARR的值可以調節PWM的周期，調節CCRx的值大小可以調節PWM占空比。

我們以通道1為例，詳細講解PWM的工作過程，如下圖所示：

從最左邊進入的是時鐘源，由內部時鐘(CNT)或者外部觸發時鐘(ETRF)輸入，進入輸入模式控制器，通過OCMR1寄存器的OC1M[2:0]位來配置PWM模式，之后進入一個選擇器，由CCER寄存器的CC1P位來設置輸出極性，最后由CCER寄存器的CC1E位來使能輸出，然后通過OC1來輸出PWM波。

CCR1:捕獲比較(值)寄存器（x=1,2,3,4):設置比較值。

CCMR1: OC1M[2:0]位：對于PWM方式下，用于設置PWM模式1【110】或者PWM模式2【111】

CCER:CC1P位：輸入/捕獲1輸出極性。0：高電平有效，1：低電平有效。

CCER:CC1E位：輸入/捕獲1輸出使能。0：關閉，1：打開。

2. PWM模式

PWM有PWM模式1和模式2兩種模式，它們之間的區別用寄存器TIMx_CCMR1的OC1M[2:0]位來分析：

表中紅色框標識的地方就是PWM模式1和模式2的定義和區別，可以簡單理解為：PWM模式1的情況下，當前值小于比較值為有效電平；PWM模式2的情況下，當前值大于比較值為有效電平。

理解這一點對之后的PWM配置十分重要。

下面是對PWM模式1以及向上計數配置情況的說明：

** 3.相關寄存器介紹**

• 捕獲/比較寄存器1（TIMx_CCR1)

這里以寄存器1舉例，其它的三個寄存器（CCR2、CCR3、CCR4）都是一樣的

• 捕獲比較模式寄存器1（TIMx_CCMR1)

可以看到，每個捕獲/比較模式寄存器可以控制兩個通道，這樣的話每個定時器就對應兩個捕獲/比較模式寄存器。其最常用的位就是0C1M(OC2M）位了，這兩個位是用來設置PWM模式的，有模式1和模式2兩種，這就和前面所講的對應上了。

• 捕獲/比較使能寄存器（TIMx_CCER)

可以看到，位0（CC1E)和位1（CC1P)是捕獲比較使能寄存器最常用的兩個位，分別控制輸出使能和輸出極性，這就也和剛剛講的對應上了。

• 自動重裝載寄存器（TIMx_ARR)

這個寄存器不太常用，下面的庫函數配置會講解其庫函數用法。

4. 定時器輸出通道引腳

定時器輸出PWM和定時器中斷不同，定時器中斷只需要開啟這一外設即可工作，定時器輸出PWM需要在單片機的引腳上輸出實實在在的脈沖信號。

下面是定時器3的通道引腳，可以使用部分映射或者完全映射。其它定時器的引腳可以查看芯片手冊。

5.定時器PWM庫函數配置

• 輸出庫函數配置

和定時器中斷實驗不同，在初始化時基單元之后，還需要對輸出通道進行初始化：

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

其結構體成員如下：

typedef struct
{
  uint16_t TIM_OCMode;  //PWM模式1或者模式2
  uint16_t TIM_OutputState; //輸出使能 OR失能
  uint16_t TIM_OutputNState;
  uint16_t TIM_Pulse; //比較值，寫CCRx
  uint16_t TIM_OCPolarity; //比較輸出極性
  uint16_t TIM_OCNPolarity; 
  uint16_t TIM_OCIdleState;  
  uint16_t TIM_OCNIdleState; 
} TIM_OCInitTypeDef;

初始化實例：

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //PWM模式2
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比較輸出使能
TIM_OCInitStructure. TIM_Pulse=100;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //輸出極性:TIM輸出比較極性高
TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);  //根據T指定的參數初始化外設TIM3 OC2

設置比較值函數

void TIM_SetCompareX(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare2);

• 使能輸出比較預裝載

• void TIM_OC2PreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPreload);
  

• 使能自動重裝載的預裝載寄存器允許位

void TIM_ARRPreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState);

輸出配置步驟

① 使能定時器3和相關IO口時鐘。

使能定時器3時鐘：RCC_APB1PeriphClockCmd();

     使能GPIOB時鐘：RCC_APB2PeriphClockCmd();

② 初始化IO口為復用功能輸出。函數：GPIO_Init();

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

③ 這里我們是要把PB5用作定時器的PWM輸出引腳，所以要重映射配置，

所以需要開啟AFIO時鐘。同時設置重映射。

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);

    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE);

④ 初始化定時器：ARR,PSC等：TIM_TimeBaseInit();

⑤ 初始化輸出比較參數:TIM_OC2Init();

⑥ 使能預裝載寄存器：TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);

⑦ 使能定時器。TIM_Cmd();

⑧ 不斷改變比較值CCRx，達到不同的占空比效果:TIM_SetCompare2();

6.實例

我們使用STM32單片機的定時器TIM3的PWM功能，輸出占空比可變的PWM波，用來驅動LED燈，從而達到LED亮度由暗變亮，又從亮變暗，如此循環。代碼如下：

//timer.c源文件


#include "timer.h"
#include "led.h"
#include "usart.h"




//TIM3 PWM部分初始化 
//PWM輸出初始化
//arr：自動重裝值
//psc：時鐘預分頻數
void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{  
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
  TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;




  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);  //使能定時器3時鐘
   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB  | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);  //使能GPIO外設和AFIO復用功能模塊時鐘


  GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); //Timer3部分重映射  TIM3_CH2->PB5    


   //設置該引腳為復用輸出功能,輸出TIM3 CH2的PWM脈沖波形  GPIOB.5
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //TIM_CH2
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //復用推挽輸出
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO


   //初始化TIM3
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //設置在下一個更新事件裝入活動的自動重裝載寄存器周期的值
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //設置用來作為TIMx時鐘頻率除數的預分頻值 
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //設置時鐘分割:TDTS = Tck_tim
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上計數模式
  TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根據TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數初始化TIMx的時間基數單位


  //初始化TIM3 Channel2 PWM模式   
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //選擇定時器模式:TIM脈沖寬度調制模式2
   TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比較輸出使能
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //輸出極性:TIM輸出比較極性高
  TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);  //根據T指定的參數初始化外設TIM3 OC2


  TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);  //使能TIM3在CCR2上的預裝載寄存器


  TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  //使能TIM3




}

//timer.h頭文件


#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H
#include "sys.h"




void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc);
#endif

//main.c源文件


#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "timer.h"




 int main(void)
{    
   u16 led0pwmval=0;
  u8 dir=1;  
  delay_init();         //延時函數初始化    
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);    //設置NVIC中斷分組2:2位搶占優先級，2位響應優先級
  uart_init(115200);   //串口初始化為115200
   LED_Init();           //LED端口初始化
   TIM3_PWM_Init(899,0);   //不分頻。PWM頻率=72000000/900=80Khz
     while(1)
  {
     delay_ms(10);   
    if(dir)led0pwmval++;
    else led0pwmval--;


     if(led0pwmval>300)dir=0;
    if(led0pwmval==0)dir=1;                     
    TIM_SetCompare2(TIM3,led0pwmval);       
  }   
 }

總結

本章從STM32定時器的原理、寄存器介紹、定時器配置以及定時器的幾個常用的功能（如定時器中斷、定時器輸出比較PWM波形）的使用方法來教大家掌握定時器這一外設。希望讀者能夠仔細學習，掌握這一重要的外設。