嵌入式开发之STM32学习笔记day10

STM32F103C8T6 TIM定时器输出比较

1 定时器输出比较基础概念

• OC（Output Compare）输出比较
• 输出比较可以通过比较CNT与CCR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
• 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

2 PWM 的基本概念

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种通过调节脉冲信号的占空比来控制模拟信号的技术。其核心是通过快速开关数字信号，改变高电平与低电平的时间比例，从而模拟不同的电压或功率输出。

2.1 PWM 的工作原理

• 占空比：高电平时间与整个周期的比值，通常以百分比表示。例如，50%占空比表示高电平和低电平时间相等。
• 频率：单位时间内脉冲信号的周期数（Hz）。高频 PWM 可减少输出波动，但可能受硬件限制。
• PWM 参数：

公式： 频率 = 1 / TS 占空比 = TON / TS 分辨率 = 占空比变化步距

描述： 这是一个简单的PWM原理图，假设定时器工作模式是向上计数，当计数值小于阈值时，就会输出一个电平状态，比如高电平，反之输出低电平。高电平持续时间（脉冲宽度）和周期时间的比值为占空比，范围是0-100%。上图是生成的是占空比为40%的pwm波。

**案例场景分析：**在智能家居的客厅中，一盏嵌入式LED灯正通过PWM（脉冲宽度调制）技术展现出细腻的光影魔法。通过微控制器精准调节PWM的占空比，灯光从清晨的柔和暖黄渐变为午后的明亮白光，仿佛自然光线在室内流动。当夜晚观影模式开启时，灯光瞬间调至10%的暗调，既营造出沉浸式氛围，又避免了直视光源的刺眼。PWM的高频脉冲控制让亮度变化丝滑无频闪，配合智能系统还能联动音乐节奏，让灯光随着旋律明暗起伏，如同无声的舞者用光影演绎科技与艺术的交融。

3 输出比较通道(高级)

4 输出比较通道(通用)

5 输出比较模式

模式	描述
冻结	CNT=CCR时，REF保持为原状态
匹配时置有效电平	CNT=CCR时，REF置有效电平
匹配时置无效电平	CNT=CCR时，REF置无效电平
匹配时电平翻转	CNT=CCR时，REF电平翻转
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 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

6 PWM基本结构

分析说明：

这张图展示了一个定时器PWM信号输出的内部工作机制，其主要流程如下：

时基单元：

• 包括 PSC（预分频器） 、CNT（计数器） 和 ARR（自动重装器），它们共同决定了PWM的周期。

• PSC将主时钟频率进行分频，决定了CNT计数的速度。

• CNT是计数器，按设定频率进行计数，从0开始递增到ARR设置的最大值，然后重新从0计数。

• ARR决定了PWM的周期（CNT最大值）。

输出比较单元（CCR）：

• CCR（捕获/比较寄存器） 用于设定PWM的占空比，即高电平的持续时间。

• 当CNT小于CCR时，输出为高电平；CNT大于等于CCR时，输出为低电平。

REF极性与GPIO输出：

• 通过设置极性选择器，可以决定输出为正向PWM（高电平有效）还是反向PWM（低电平有效）。

• 最终的PWM信号通过GPIO引脚输出。

图示解读：

• 上方折线图表示CNT计数器从0到ARR（如9）不断循环计数。

• 红线是CCR的值，例如3。

• 下方绿色方波表示PWM输出波形：当计数值小于CCR时为高电平，超过后为低电平。

---

简要概括：

STM32定时器通过PSC分频后由CNT计数器递增计数，周期由ARR设置决定。当计数器CNT的值小于CCR时，输出为高电平，否则为低电平，从而形成PWM波形。通过调整CCR值可以控制PWM的占空比。极性选择电路还可以决定PWM信号的有效电平方向，最终由GPIO口输出PWM信号，实现对外设的精确控制。

7 PWM参数计算

• PWM频率： Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
• PWM占空比： Duty = CCR / (ARR + 1)
• PWM分辨率： Reso = 1 / (ARR + 1)

8 使用PWM精准控制LED亮度：从原理到代码实现

本文将手把手教你通过PWM（脉冲宽度调制）技术控制LED灯的亮度，涵盖硬件连接、代码编写及原理分析，适用于STM32等常见开发板。通过调节占空比，实现灯光从暗到亮的平滑过渡，并附赠呼吸灯效果代码！

所需材料

• 开发板（STM32）

• LED灯（不同颜色需注意正向电压）

• 220Ω限流电阻

• 杜邦线若干

接线方式

• LED正极 → PWM引脚（如STM32的PA0）

• LED负极 → 电阻 → GND

8.1 PWM初始化

8.1.1 开启时钟

/*开启时钟*/
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);			//开启TIM2的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);			//开启GPIOA的时钟

8.1.2 GPIO初始化

/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;		//GPIO_Pin_15;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);	//将PA0引脚初始化为复用推挽输出	
										//受外设控制的引脚，均需要配置为复用模式

8.1.3 配置时钟源

在这里外面选择时钟源为内部时钟TIM2

/*配置时钟源*/
TIM_InternalClockConfig(TIM2);	//选择TIM2为内部时钟，若不调用此函数，TIM默认也为内部时钟

8.1.4 时基单元初始化

/*时基单元初始化*/
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;			//定义结构体变量
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //时钟分频，选择不分频，此参数用于配置滤波器时钟，不影响时基单元功能
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数器模式，选择向上计数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;					//计数周期，即ARR的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1;				//预分频器，即PSC的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;            //重复计数器，高级定时器才会用到
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure); //将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit，配置TIM2的时基单元

8.1.5 输出比较初始化

/*输出比较初始化*/
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;							//定义结构体变量
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);							//结构体初始化，若结构体没有完整赋值    //则最好执行此函数，给结构体所有成员都赋一个默认值  //避免结构体初值不确定的问题
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;				//输出比较模式，选择PWM模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;		//输出极性，选择为高，若选择极性为低，则输出高低电平取反
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;	//输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;								//初始的CCR值
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);//将结构体变量交给TIM_OC1Init，配置TIM2的输出比较通道1
	

8.1.6 TIM使能------重要

/*TIM使能*/
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);			//使能TIM2，定时器开始运行

8.2 占空比设置

/**
  * 函    数：PWM设置CCR
  * 参    数：Compare 要写入的CCR的值，范围：0~100
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：CCR和ARR共同决定占空比，此函数仅设置CCR的值，并不直接是占空比
  *           占空比Duty = CCR / (ARR + 1)
  */
void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare)
{
	TIM_SetCompare1(TIM2, Compare);		//设置CCR1的值
}

这里，我们可以通过上面的PWM_SetCompare1函数来设置GPIO输出占空比为Compare的信号。因为我们起初设置ARR为100-1 ， PSC为720-1，从而可以通过以下公式计算：

• PWM频率： Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1) = 72*10^6 / 720000 = 100
• PWM占空比： Duty = CCR / (ARR + 1) = CCR%
• PWM分辨率： Reso = 1 / (ARR + 1) = 0.01

8.3 main主函数

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	OLED_Init();		//OLED初始化
	PWM_Init();			//PWM初始化
	
    OLED_ShowString(1, 1, "PWM contral led0");
	while (1)
	{
		for (i = 0; i <= 100; i++)
		{
			PWM_SetCompare1(i);			//依次将定时器的CCR寄存器设置为0~100，PWM占空比逐渐增大，LED逐渐变亮
			Delay_ms(10);				//延时10ms
		}
		for (i = 0; i <= 100; i++)
		{
			PWM_SetCompare1(100 - i);	//依次将定时器的CCR寄存器设置为100~0，PWM占空比逐渐减小，LED逐渐变暗
			Delay_ms(10);				//延时10ms
		}
	}
}

分析：

这里，我们就使用两个for循环，先将led占空比从0到100递增，然后又从100到0递减，我们就可以清晰的看见led亮度由暗变亮，由亮变暗，循环往复。

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