STM32固件库（标准外设库）入门学习 第六章TIM定时器（三）_tim_ccxcmd

STM32固件库（标准外设库）入门学习 第六章TIM定时器（三）

---

---

前言

本学习教程，参考B站江科大自化协STM32视频，型号为STM32F103C8T6。

本文讲重点讲述TIM输出比较功能。

---

一、TIM输出比较

OC（Output Compare）输出比较，输出比较这个模块最常见的功能就是产生PWM波形，用于驱动电机等设备。输出比较可以通过比较CNT（计数器）与CCR（捕获/比较寄存器）寄存器值的关系，CNT计数自增，CCR是我们给定的值，通过对比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。

1 PWM波形

PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制，PWM波形是一个数字输出信号，也是由高低电平组成。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。使用PWM波形是为了等效地实现一个模拟信号地输出。PWM的秘诀就是天下武功唯快不破，只要闪的快，就发现不了是闪着亮的，还是一个正常、平稳的亮度。PWM应用需要在惯性的系统，LED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；电机断电时，电机不会立马停止，而是有一定的惯性，过一会才停。

从下图可看出高低电平跳变的数字信号，可以等效为中间虚线所表示的模拟量。当上电平时间长，下电平时间短时，等效的模拟量就偏上，反之亦然。

PWM重要参数：
频率 = 1 / TS
占空比 = TON / TS
分辨率 = 占空比变化步距 （占空比变化1%2%3%，以1%的步距跳变，分辨率1%，分辨率就是占空比变化的精细程度）

2 输出比较通道

通用定时器的输出比较通道，左边时CNT和CCR比较的结果，右边是输出比较电路，最后通过TIMx_CH1输出到GPIO引脚上。

CNT和CCR比较后，就会给输出模式控制器一个信号，依此改变输出OC1REF的高低电平。REF为reference的缩写，意思为参考信号；REF信号可以前往主模式控制器，可以映射到主模式的TRGO输出上去；REF主要去向是到达极性选择寄存器，给寄存器写0信号就会走上路，即信号电平不翻转，进来啥样，出去啥样，写1的话，信号就会往下走，经过一个非门取反，输出信号就是输入信号高低电平反转的信号，这就是极性选择，就是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，选择要不要输出，最后就是OC1引脚（TIMx_CH1通道的引脚）。

注：ETRF输入，这是定时器的一个小功能，一般不用。

输出模式控制具体工作模式如下表所示，共八种模式，即执行逻辑，此模式可以通过寄存器来配置，需要哪个模式选择哪个模式。

（1）冻结模式，一旦切换此模式，输出就暂停，并且高低电平也维持为暂停时刻的状态，保持不变；

（2）匹配时三种模式，有效电平和无效电平是高级定时器的说法，是和关断、刹车这个功能配合表述的，说的比较严谨，所以叫有效电平和无效电平，为了理解方面，置有效电平就是置高电平，置无效电平就是置低电平，这三个模式都是当CNT与CRR值相等时，执行操作。电平翻转模式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，这就是一个占空比50%的PWM波形。当改变频率时，输出波形的频率也会随之改变。输出波形的频率=更新频率/2，更新两次，输出才为一个周期。如果想输出定时一次性不改变的信号，可以考虑上两个模式。

（3）强制为无效电平和强制为有效电平。如果想暂停波形输出，并且在暂停期间保持低电平或高电平，那可以设置这两个强制输出模式

（4）PWM模式。可用于输出频率和占空比都可调的PWM波形。PWM2实际上时PWM1的输出取反，改变PWM1和PWM2只是改变REF电平的极性。下图左上角时时基单元和运行控制部分，再左边是时钟源选择（省略了），只不过ARR与CNR产生的中断事件申请不需要了，输出PWM不需要中断。配置好时基单元，CNT开始自增运行。下面为4路输出比较单元，最开始是CCR捕获比较器（自己设置），然后就是输出模式控制器（以PWM模式1为例），如何输出PWM波形的呢？看右上角图，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（设为99），之后清0再继续自增，在这过程中再设置一条红色线，这条红色线就是CCR，比如我们设置CCR为30，之后再执行下面的逻辑，绿色线就是输出。当CNT<CCR时，置高电平；当CNT≥CCR时，置低电平，当CNT溢出清0后，CNT<CCR，又置高电平。依此循环，REF的电平就会不断变化，并且占空比受CCR的值调控，CCR设置高一些，输出的占空比就大，反之亦然。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，通向GPIO口，完成PWM波形的输出。

PWM频率： Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1) 对应计数器的更新频率
PWM占空比： Duty = CCR / (ARR + 1)
PWM分辨率： Reso = 1 / (ARR + 1)
提问：要求输出一个频率为1kHz，占空比可任意调节，分辨率为1%的PWM波形？
分辨率1%=1/(ARR+1)，求得ARR=99，单片机的预分频器的输入时钟CK_PSC=72MHz（来自内部时钟），即1kHz = 72MHz/ (PSC + 1)/100，PSC预分频器值为719。
下图为高级定时器输出比较通道。圈外与通用定时器电路一样。圈内需要与外部电路一起理解。外部电路是两个MOS管开关，而OC1和OC1N分别控制上MOS管和下MOS管导通和关闭，在切换上下管导通状态时，如果在上管关断的瞬间，下管立刻就打开，可能会因为器件的不理想，上管还没完全关断，下管就已经导通了，出现短暂的上下管同时导通的现象，会导致功率损耗，引起器件发热，在这里为了避免这个问题，就有了死区生成电路，它会在上管关闭的时候，延迟一小段时间，再导通下管，下管关闭的时候，延时一小段时间，再导通上管，避免上下管同时导通。

二、PWM驱动LED呼吸灯

1 接线图

在PA0一脚输出一个PWM波，驱动LED呈现不同的亮度。

2 封装PWM模块

Hardware下新建PWM.c和PWM.h文件


打通这些PWM模块，即可完成配置。

查看库函数tim.h，拖到最下面
（1）TIM_OC1Init、TIM_OC2Init、TIM_OC3Init、TIM_OC4Init，配置输出比较单元，OC（Output Compare），一个函数配置一个单元，参数1选择定时器，参数2为结构体，即输出比较那些参数。

（2）TIM_OCStructInit这个用来给输出比较结构体赋一个默认值，完成这个，输出比较的配置就完成了。

（3）TIM_ForcedOC1Config、TIM_ForcedOC2Config、TIM_ForcedOC3Config、TIM_ForcedOC4Config四个函数用来配置强制输出模式，如果在运行中想要暂停输出波形并且强制输出高电平或低电平，可用此函数。用的比较少，因为强制输出高电平就是设置100%占空比一样的，强制低电平就是0%占空比。

（4）TIM_OC1PreloadConfig等四个函数是用来配置CCR寄存器的预装功能，预装功能就是影子寄存器，就是写入的值不会立即生效，而是等到更新事件才会生效，一般不用。

（5）TIM_OC1FastConfig等四个函数是用来配置快速使能，手册里单脉冲模式，有介绍，用的不多。

（6）TIM_ClearOC1Ref等四个函数，在手册里外部事件清除REF信号有介绍，用的不多。

（7）TIM_OC1PolarityConfig等这7个函数用来单独设置输出比较的极性，带N就是高级定时器里互补通道的配置，OC4无互补通道，所以就没有OC4N。在这里可以设置极性，在结构体初始化也可以设置极性，作用一样，结构体中是一起初始化，而这里是单独函数修改。

（8）TIM_CCxCmd单独用来修改输出使能参数。

（9）TIM_SelectOCxM选择输出比较模式，单独更改输出比较模式的函数

（10）TIM_SetCompare1、2、3、4单独更改CCR寄存器值得函数，此四个函数比较重要，运行时更改占空比需要用到。

（11）TIM_CtrlPWMOutputs仅高级定时器使用，输出PWM时需要调用这个函数，使能输出，否则PWM将不能正常输出。

3 第一步RCC开启时钟

把要用的TIM外设和GPIO外设时钟打开，并选择内部时钟。

4 第二步配置时基单元

包括前面的时钟源选择、时基单元都配置好。

5 第三步配置输出比较单元

包括CCR的值、输出比较模式、极性选择、输出使能这些参数，在库函数里用结构体统一配置。不同的GPIO口对应的输出比较通道也不同。　 只配置通用定时器的所需要的，但当需要用高级定时器，需要把结构体成员配置完整 。

6 第四步配置GPIO

把PWM对应的GPIO口，初始化为复用推挽输出的配置。PWM与GPIO对应关系参考引脚定义表。TIM2_CH1对应的时PA0引脚，也可以利用AFIO复用其他引脚（表中可查）
GPIO_Mode要选择复用开漏输出，普通的开漏推挽输出，引脚控制权来自于输出数据寄存器，想用定时器来控制引脚，就需要用复用开漏/推挽输出的模式，在这里输出数据寄存器将被断开，输出控制权将转移给片上外设，这里片上外设引脚连接的就是TIM2_CH1通道。所以只有在复用推挽模式，引脚控制权才能交给片上外设，PWM波形才能通过引脚输出。

7 第五步运行控制

启动计数器，输出PWM

8 分析ARR\PSC\CCR三个参数

PWM频率： Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1) 对应计数器的更新频率
PWM占空比： Duty = CCR / (ARR + 1)
PWM分辨率： Reso = 1 / (ARR + 1)

提问：要求输出一个频率为1kHz，占空比50%，分辨率为1%的PWM波形？
（1）分辨率1%=1/(ARR+1)，求得ARR=99；
（2）单片机的预分频器的输入时钟CK_PSC=72MHz（来自内部时钟），即1kHz = 72MHz/ (PSC + 1)/100，求得PSC=719；
（3）50% = CRR/100，求得CRR=50；

注意：占空比是CRR与ARR+1的比值，当ARR变化时，占空比也会改变。

9 最终程序

10 引脚重映射

引脚重映射，TIM2_CH1对应的时PA0引脚，如何重映射为PA15引脚，需要利用AFIO复用。

（1）首先开启AFIO时钟

（2）GPIO引脚重映射配置
查手册8.3.7 定时器复用功能重映射。


（3）关闭调试端口的复用（针对有复用的端口）
PA15上电后默认复用为调试端口JTDI，所以如果想让他作为普通的GPIO或者复用定时器的通道，还需要先关闭调试端口的复用。


第三个千万不要使用，会导致SWD、JTAG都失效
（4）修改GPIO初始化

三、PWM驱动舵机

1 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。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。输入一个PWM波形，输出轴固定在一个角度。

输入PWM信号要求：周期为20ms，对应50Hz，高电平宽度为0.5ms~2.5ms。此时PWM波形当作一个通信协议来使用，跟之前说的，用PWM等效一个模拟输出，关系不大，这种当作通信协议的方式，也是比较常用。

舵机的硬件电路比较简单

2 接线图

需要用到PA0引脚输出PWM。

3 第一步开启RCC时钟

4 第二步配置时基单元

5 第三步配置输出比较单元

也可以多配置几个PWM通道，对于同一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他们频率一样，而占空比由各自的CCR决定；因为计数器更新，所有PWM同时跳变，所以它们的相位同步。

驱动多个舵机或者直流电机，使用同一个定时器不同通道的PWM，使用TIM_SetCompare1、2、3等改变不同通道的PWM，就完全可以。

6 第四步配置GPIO

7 第五步运行控制

8 封装CCR改变函数

9 封装舵机模块

设置函数，舵机设置角度（0~180°），调用即可改变为对应的角度。Hardware下新建Servo.c和.h文件。

四、PWM驱动直流电机

1 直流电机

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。常见电机驱动电路有：TB6612、DRV8833、L9110、L298N等，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。电路由两路推挽电路组成，左边上管导通，下管断开，左边输出就是接在VM的电机电源正极；下管导通，上管断开，左边输出就是接在PGND的电机电源负极。如果有两路推挽电路，中间接一个电机，左上和右下导通，那电流就是从左边向右边，右上和左下导通，那电流方向就反过来，从右边流向左边，H桥可以控制电流流过的方向，所以能控制电机正反转。

驱动芯片的硬件电路如下图所示。


VM要接一个可以输出大电流的电源，VM是驱动电压输入端，范围4.5~10 V，一般和电机的额定电压保持一致。

VCC逻辑电平输入端，范围2.7~5.5V，与控制器的电源保持一致。

GND接系统的负极。三个GND都是连通的。

AO1、AO2、BO1、BO2是两路电机的输出，分别接两个电机。

STBY工作/待机状态控制输入端，接GND芯片不工作，处于待机状态，接逻辑电源VCC，芯片正常工作，若不需要待机模式，可以直接接VCC3.3，若需要任意接一个GPIO，给高低电平即可控制。

IN1给低电平，IN2给高电平，PWM高电平时转低电平时不转，若PWM是一个不断翻转的电平信号，电机就快速地反转、停止、反转、停止，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信号地占空比，这就是反转的工作流程。这里PWM就是前文讲的，用来等效一个模拟量的功能。

2 接线图

PWMA——PA2；AIN1——PA4；AIN2——PA5；按键——PB1

在呼吸灯程序上修改，目前此代码为通道1输出一个1kHz的PWM，电机接到通道3上，所以要修改一下PWM。

3 封装直流电机

按下按键速度+20，从-100到100。

测试时发现，电机内部会发生蜂鸣器一样的声音，这时因为电机也是线圈和磁铁，在PWM驱动下就会发出蜂鸣器的声音，正常现象。若想避免，需要提高PWM频率，PWM频率足够大时，超出人耳范围，人耳就听不到了。人耳听到频率范围为20Hz到20kHz，目前给的频率时1kHz，人耳可以听到，在这里可以加大频率，加大频率可以通过预分频器PSC来完成，不影响占空比。

---

总结

完成PWM波形输出驱动呼吸灯、舵机、电机