第二十三章 高级定时器互补输出带死区控制实验
本章将介绍使用APM32F407输出带死区和刹车控制的两路互补PWM。通过本章的学习，读者将学习到高级定时器的互补输出、死区插入和刹车的功能的使用。
本章分为如下几个小节：
23.1 硬件设计
23.2 程序设计
23.3下载验证
23.1 硬件设计
23.1.1 例程功能
- 定时器8通道1及其互补通道输出频率为1KHz，占空比为30%的PWM，且带死区控制
- 当定时器8的刹车输入引脚被拉高时，产生刹车时间，即定时器8停止输出PWM
- LED0闪烁，指示程序正在运行
23.1.2 硬件资源 - LED
LED1 - PF9 - 定时器8
通道1 - PC6
通道1互补通道 - PA7
刹车输入 - PA6
23.1.3 原理图
本章实验使用的定时器8为APM32F407的片上资源，因此没有对应的连接原理图。
23.2 程序设计
23.2.1 Geehy标准库的TMR驱动
本章实验将使用TMR8的通道1和通道1的互补通道输出两路带死区的互补PWM，同时还使用到了刹车功能，其具体的配置步骤如下：
①：配置TMR8的自动重装载值和预分频器数值等参数
②：配置输出比较通道1及其互补通道
③：配置刹车和死区
④：使能TMR8
⑤：使能TMR8的PWM输出
⑥：使能输出比较通道1输出
⑦：使能输出比较通道1互补通道输出
⑧：配置互补PWM的死区时间
在Geehy标准库中对应的驱动函数如下：
①：配置TMR
请见第16.2.1小节中配置TMR的相关内容。
②：配置输出比较通道
请见第18.2.1小节中配置输出比较通道的相关内容。
③：配置刹车和死区
该函数用于配置刹车和死区，其函数原型如下所示：
void TMR_ConfigBDT(TMR_T* tmr, TMR_BDTConfig_T* BDTConfig);
该函数的形参描述，如下表所示：
表23.2.1.1 函数TMR_ConfigBDT()形参描述
该函数的返回值描述，如下表所示：
返回值 描述
无 无
表23.2.1.2 函数TMR_ConfigBDT()返回值描述
该函数使用TMR_BDTConfig_T类型的结构体变量传入TMR刹车和死区的配置参数，该结构体的定义如下所示：
typedef enum
{
TMR_RMOS_STATE_DISABLE, /* 禁止输出 /
TMR_RMOS_STATE_ENABLE / 输出无效电平 */
} TMR_RMOS_STATE_T;
typedef enum
{
TMR_IMOS_STATE_DISABLE, /* 禁止输出 /
TMR_IMOS_STATE_ENABLE / 死区期间输出无效电平，否则输出空闲电平 */
} TMR_IMOS_STATE_T;
typedef enum
{
TMR_LOCK_LEVEL_OFF, /* 无锁定写保护 /
TMR_LOCK_LEVEL_1, / 锁定写保护级别1 /
TMR_LOCK_LEVEL_2, / 锁定写保护级别2 /
TMR_LOCK_LEVEL_3 / 锁定写保护级别3 */
} TMR_LOCK_LEVEL_T;
typedef enum
{
TMR_BRK_STATE_DISABLE, /* 禁用刹车功能 /
TMR_BRK_STATE_ENABLE / 使能刹车功能 */
} TMR_BRK_STATE_T;
typedef enum
{
TMR_BRK_POLARITY_LOW, /* 刹车输入低电平有效 /
TMR_BRK_POLARITY_HIGH / 刹车输入高电平有效 */
} TMR_BRK_POLARITY_T;
typedef enum
{
TMR_AUTOMATIC_OUTPUT_DISABLE, /* 禁用自动输出 /
TMR_AUTOMATIC_OUTPUT_ENABLE / 使能自动输出 */
} TMR_AUTOMATIC_OUTPUT_T;
typedef struct
{
TMR_RMOS_STATE_T RMOS; /* 运行模式下的关闭状态 /
TMR_IMOS_STATE_T IMOS; / 空闲模式下的关闭状态 /
TMR_LOCK_LEVEL_T lockLevel; / 锁定写保护模式 /
uint16_t deadTime; / 互补输出通道的死区持续时间 /
TMR_BRK_STATE_T BRKState; / 使能刹车功能 /
TMR_BRK_POLARITY_T BRKPolarity; / 刹车输入极性 /
TMR_AUTOMATIC_OUTPUT_T automaticOutput; / 使能自动输出 */
} TMR_BDTConfig_T;
该函数的使用示例，如下所示：
#include "apm32f4xx.h"
#include "apm32f4xx_tmr.h"
void example_fun(void)
{
TMR_BDTConfig_T tmr_bdt_init_struct;
/* 配置TMR8的刹车和死区 */
tmr_bdt_init_struct.RMOS = TMR_RMOS_STATE_DISABLE;
tmr_bdt_init_struct.IMOS = TMR_IMOS_STATE_DISABLE;
tmr_bdt_init_struct.lockLevel = TMR_LOCK_LEVEL_OFF;
tmr_bdt_init_struct.deadTime = 0;
tmr_bdt_init_struct.BRKState = TMR_BRK_STATE_ENABLE;
tmr_bdt_init_struct.BRKPolarity = TMR_BRK_POLARITY_HIGH;
tmr_bdt_init_struct.automaticOutput = TMR_AUTOMATIC_OUTPUT_ENABLE;
TMR_ConfigBDT(TMR8, &tmr_bdt_init_struct);
}
④：使能TMR
请见第16.2.1小节中使能TMR的相关内容。
⑤：使能高级定时器PWM输出
请见第21.2.1小节中使能高级定时器PWM输出的相关内容。
⑥：使能捕获比较通道
请见第18.2.1小节中使能捕获比较通道的相关内容。
⑦：使能捕获比较互补通道
该函数用于使能捕获不叫互补通道，其函数原型如下所示：
void TMR_EnableCCxNChannel(TMR_T* tmr, TMR_CHANNEL_T channel);
该函数的形参描述，如下表所示：
形参 描述
tmr 指向TMR外设结构体的指针
例如：TMR1、TMR2等（在apm32f4xx.h文件中有定义）
channel 指定使能的捕获比较互补通道
例如：TMR_CHANNEL_1、TMR_CHANNEL_2等（在apm32f4xx_tmr.h文件中有定义）
表23.2.1.3 函数TMR_EnableCCxNChannel()形参描述
该函数的返回值描述，如下表所示：
返回值 描述
无 无
表23.2.1.4 函数TMR_EnableCCxNChannel()返回值描述
该函数的使用示例，如下所示：
#include "apm32f4xx.h"
#include "apm32f4xx_tmr.h"
void example_fun(void)
{
/* 使能TMR1捕获比较通道1互补通道 */
TMR_EnableCCxNChannel(TMR1, TMR_CHANNEL_1);
}
⑧：配置死区时间
高级定时器的死区时间配置，可以通过函数TMR_ConfigBDT()进行配置，也可以通过写寄存器的方式直接修改高级定时器刹车和死区寄存器的DTS位，示例如下所示：
#include "apm32f4xx.h"
void example_fun(void)
{
/* 配置TMR8的死区时间 */
TMR8->BDT_B.DTS = 100;
}
23.2.2 高级定时器驱动
本章实验的高级定时器驱动主要负责向应用层提供高级定时器的初始化函数和PWM占空比、死区时间的配置函数。本章实验中，高级定时器的驱动代码包括atmr.c和atmr.h两个文件。
高级定时器驱动中，对TMR、GPIO相关的宏定义，如下所示：
#define ATMR_TMRX_CPLM TMR8
#define ATMR_TMRX_CPLM_CHY TMR_CHANNEL_1
#define ATMR_TMRX_CPLM_CLK_ENABLE()
do {
RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_TMR8);
} while (0)
#define ATMR_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_PORT GPIOC
#define ATMR_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_PIN GPIO_PIN_6
#define ATMR_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_PIN_SOURCE GPIO_PIN_SOURCE_6
#define ATMR_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_AF GPIO_AF_TMR8
#define ATMR_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_CLK_ENABLE()
do {
RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_GPIOC);
} while (0)
#define ATMR_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_PORT GPIOA
#define ATMR_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_PIN GPIO_PIN_7
#define ATMR_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_PIN_SOURCE GPIO_PIN_SOURCE_7
#define ATMR_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_AF GPIO_AF_TMR8
#define ATMR_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_CLK_ENABLE()
do {
RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_GPIOA);
} while (0)
#define ATMR_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_PORT GPIOA
#define ATMR_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_PIN GPIO_PIN_6
#define ATMR_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_PIN_SOURCE GPIO_PIN_SOURCE_6
#define ATMR_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_AF GPIO_AF_TMR8
#define ATMR_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_CLK_ENABLE()
do {
RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_GPIOA);
} while (0)
高级定时器驱动中TMR8的初始化函数，如下所示：
/**
-
@brief 初始化高级定时器互补PWM输出
-
@note 当APB1PSC!=1时，定时器的时钟频率为APB2时钟的2倍
因此定时器的时钟频率为168MHz
定时器溢出时间计算方法：Tout = ((arr + 1) * (psc + 1)) / TMRxCLK
TMRxCLK=定时器时钟频率，单位MHz
-
@param arr: 自动重装载值
-
@param psc: 预分频器数值
-
@retval 无
*/
void atmr_tmrx_cplm_pwm_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
GPIO_Config_T gpio_init_struct;
TMR_BaseConfig_T tmr_init_struct;
TMR_OCConfig_T tmr_oc_init_struct;
TMR_BDTConfig_T tmr_bdt_init_struct;
/* 使能时钟 /
ATMR_TMRX_CPLM_CLK_ENABLE(); / 使能高级定时器时钟 /
ATMR_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_CLK_ENABLE(); / 使能PWM输出引脚端口时钟 /
ATMR_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_CLK_ENABLE(); / 使能PWM互补输出引脚端口时钟 /
ATMR_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_CLK_ENABLE(); / 使能刹车输入引脚端口时钟 *//* 配置PWM输出引脚 /
gpio_init_struct.pin = ATMR_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_PIN; / PWM输出引脚 /
gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_AF; / 复用功能模式 /
gpio_init_struct.speed = GPIO_SPEED_100MHz; / 高速 /
gpio_init_struct.otype = GPIO_OTYPE_PP; / 推挽输出 /
gpio_init_struct.pupd = GPIO_PUPD_DOWN; / 下拉 /
GPIO_Config(ATMR_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
GPIO_ConfigPinAF(ATMR_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_PORT, / 配置引脚复用功能 */ATMR_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_PIN_SOURCE,
ATMR_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_AF);
/* 配置PWM互补输出引脚 /
gpio_init_struct.pin = ATMR_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_PIN; / PWM互补输出引脚 /
gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_AF; / 复用功能模式 /
gpio_init_struct.speed = GPIO_SPEED_100MHz; / 高速 /
gpio_init_struct.otype = GPIO_OTYPE_PP; / 推挽输出 /
gpio_init_struct.pupd = GPIO_PUPD_DOWN; / 下拉 /
GPIO_Config(ATMR_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
GPIO_ConfigPinAF(ATMR_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_PORT, / 配置引脚复用功能 */ATMR_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_PIN_SOURCE,
ATMR_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_AF);
/* 配置刹车输入引脚 /
gpio_init_struct.pin = ATMR_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_PIN; / 刹车输入引脚 /
gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_AF; / 复用功能模式 /
gpio_init_struct.speed = GPIO_SPEED_100MHz; / 高速 /
gpio_init_struct.otype = GPIO_OTYPE_PP; / 推挽输出 /
gpio_init_struct.pupd = GPIO_PUPD_DOWN; / 下拉 /
GPIO_Config(ATMR_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
GPIO_ConfigPinAF(ATMR_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_PORT, / 配置引脚复用功能 */ATMR_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_PIN_SOURCE,
ATMR_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_AF);
/* 配置高级定时器 /
tmr_init_struct.countMode = TMR_COUNTER_MODE_UP; / 向上计数 /
tmr_init_struct.clockDivision = TMR_CLOCK_DIV_1; / 时钟分频系数 /
tmr_init_struct.period = arr; / 自动重装载值 /
tmr_init_struct.division = psc; / 预分频器数值 /
tmr_init_struct.repetitionCounter = 0; / 重复计数数值 /
TMR_ConfigTimeBase(ATMR_TMRX_CPLM, &tmr_init_struct); / 配置高级定时器 *//* 配置输出比较通道 /
tmr_oc_init_struct.mode = TMR_OC_MODE_PWM1; / PWM模式1 /
tmr_oc_init_struct.outputState = TMR_OC_STATE_DISABLE; / 使能输出 /
tmr_oc_init_struct.outputNState = TMR_OC_NSTATE_DISABLE; / 使能互补输出 /
tmr_oc_init_struct.polarity = TMR_OC_POLARITY_LOW; / 低电平有效 /
tmr_oc_init_struct.nPolarity = TMR_OC_NPOLARITY_LOW; / 互补低电平有效 /
tmr_oc_init_struct.idleState = TMR_OC_IDLE_STATE_SET; / 空闲输出状态 /
tmr_oc_init_struct.nIdleState = TMR_OC_NIDLE_STATE_SET;/ 互补空闲输出状态 /
tmr_oc_init_struct.pulse = (arr + 1) >> 1; / 有效电平脉宽 /
TMR_ConfigOC1(ATMR_TMRX_CPLM, &tmr_oc_init_struct); / 配置输出比较通道 *//* 配置刹车和死区 */
tmr_bdt_init_struct.RMOS = TMR_RMOS_STATE_DISABLE;
tmr_bdt_init_struct.IMOS = TMR_IMOS_STATE_DISABLE;
tmr_bdt_init_struct.lockLevel = TMR_LOCK_LEVEL_OFF;
tmr_bdt_init_struct.deadTime = 0;
tmr_bdt_init_struct.BRKState = TMR_BRK_STATE_ENABLE;
tmr_bdt_init_struct.BRKPolarity = TMR_BRK_POLARITY_HIGH;
tmr_bdt_init_struct.automaticOutput = TMR_AUTOMATIC_OUTPUT_ENABLE;
TMR_ConfigBDT(ATMR_TMRX_CPLM, &tmr_bdt_init_struct);
/* 使能高级定时器和输出比较通道输出 /
TMR_Enable(ATMR_TMRX_CPLM); / 使能高级定时器 /
TMR_EnablePWMOutputs(ATMR_TMRX_CPLM); / 使能PWM主输出 /
TMR_EnableCCxChannel(ATMR_TMRX_CPLM, ATMR_TMRX_CPLM_CHY);/ 使能输出比较通道 /
TMR_EnableCCxNChannel(ATMR_TMRX_CPLM, ATMR_TMRX_CPLM_CHY); / 使能互补通道 /
}
从上面的代码中可以看出，初始化函数不仅配置了TMR8的输出比较通道1输出PWM外，还配置使能了TMR8输出比较通道1的互补通道输出互补的PWM，同时还配置了死区时间和使能刹车功功能。
高级定时器驱动中配置PWM占空比和死区时间的函数，如下所示：
/* -
@brief 设置高级定时器输出比较值和死区时间
-
@param ccr: 输出比较值
-
@param dtg: 死区时间
-
@note 当dtg[7:5] = 0xx时，死区时间 = dtg[7:0] * tDTS
当dtg[7:5] = 10x时，死区时间 = (64 + dtg[5:0]) * tDTS * 2
当dtg[7:5] = 110时，死区时间 = (32 + dtg[4:0]) * tDTS * 8
当dtg[7:5] = 111时，死区时间 = (32 + dtg[4:0]) * tDTS * 16
tDTS = (2^TMRx_CTRL1[9:8]) / TMRxCLK
TMRxCLK为定时器时钟频率
TMRx_CTRL1[9:8]为定时器时钟分频系数
-
@retval 无
/
void atmr_tmrx_cplm_pwm_set(uint16_t ccr, uint8_t dtg)
{
/ 设置死区时间 */ATMR_TMRX_CPLM->BDT_B.DTS = dtg;
/* 设置输出比较值 */
TMR_ConfigCompare1(ATMR_TMRX_CPLM, ccr);
}
从上面的代码中可以看出，该函数配置了TMR8的死区时间和输出比较值，因为配置PWM的占空比就是配置对应通道的输出比较值。
23.2.3 实验应用代码
本章实验的应用代码，如下所示：
int main(void)
{
uint8_t t = 0;
NVIC_ConfigPriorityGroup(NVIC_PRIORITY_GROUP_3); /* 设置中断优先级分组为组3 /
sys_apm32_clock_init(336, 8, 2, 7); / 配置系统时钟 /
delay_init(168); / 初始化延时功能 /
usart_init(115200); / 初始化串口 /
led_init(); / 初始化LED /
/ 初始化高级定时器互补PWM输出，频率为1KHz /
atmr_tmrx_cplm_pwm_init(1000 - 1, 168 - 1);
/ PWM占空比30%，死区时间100 * tDTS */atmr_tmrx_cplm_pwm_set(300 - 1, 100);
while (1)
{
t++;
if (t >= 20)
{
t = 0;
LED0_TOGGLE();
}
delay_ms(10);}
}
从上面的代码中可以看到，TMR8的自动重装载值配置为(1000-1)，TMR8的预分频器数值配置为(168-1)，并且TMR8的时钟频率为168MHz，因此TMR8的计数频率为1MHz，且TMR8每计数1000次溢出一次，因此溢出频率为1KHz，因此TMR8通道1及其互补通道输出两路互补PWM的频率也应该为1KHz。
随后配置了TMR8通道1的比较值为(300-1)，与自动重装载值的比值为30%，因此输出PWM的占空比也应该为30%，同时配置了死区时间为100，因为TMR8的时钟频率为168MHz，因此死区时间在配置为100的情况下，对应的具体时间为(100*1/168MHz)ns≈595ns。
23.3 下载验证
在完成编译和烧录操作后，可以通过示波器观察PC6引脚和PA7引脚输出的两路PWM，可以发现，这两路PWM为互补PWM，且频率为1KHz、占空比为30%、死区时间大约为595ns。应为是能了刹车和自动输出功能，因此将PA6引脚接入有效的高电平后，可以看到两路PWM都被禁止输出了，撤销PA6引脚接入的高电平后，可以看到两路PWM有自动恢复输出了。