STM32TIM定时器外设学习，输出比较模式（舵机，驱动直流电机）

此次记录的是STM32定时器的输出比较模式，后面我们会记录一下程序及其现象。

我们的输出比较模式主要是用来产生PWM波形。PWM可以驱动电机，制作呼吸灯。所以如果想用STM32进行一些有电机的项目，比如说智能车，机器人等。

我们的PWM可以将GPIO口的高，低电平信号，变为可以连续变化的信号，使其可以变为PWM效果。

一.总览

1. 输出比较模式核心概念

输出比较模式 的核心思想是：将定时器的计数器（CNT）的值与一个预先设定的捕获/比较寄存器（CCR）的值进行比较，根据比较结果在对应的输出通道上产生一个指定的电平或事件。

简单来说，就是："当计数器的值达到我设定的这个值时，请在那个引脚上做点事情（比如翻转电平）"。

2. STM32F103C8T6的定时器资源

STM32F103C8T6（"蓝莓派"核心型号）拥有丰富的定时器：

高级控制定时器：TIM1
通用定时器：TIM2, TIM3, TIM4
基本定时器：TIM6, TIM7

其中，输出比较功能 主要在 TIM1、TIM2、TIM3、TIM4 上可用。每个定时器通常有4个独立的通道（TIM2/TIM3/TIM4），每个通道对应一个特定的GPIO引脚。

3. 输出比较模式的几种工作方式

在输出比较模式下，通过配置捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMR1/2） 中的 OCxM[2:0] 位，可以设置为以下几种具体模式：

模式	功能描述	典型应用
冻结	比较匹配时，通道输出无任何反应。	一般不用于输出，而是用于内部触发。
匹配时设置通道为有效电平	当CNT=CCR时，强制输出高电平（或低电平，取决于极性配置）。	生成固定宽度的脉冲。
匹配时设置通道为无效电平	当CNT=CCR时，强制输出低电平（或高电平，取决于极性配置）。	生成固定宽度的脉冲。
匹配时翻转	当CNT=CCR时，输出电平自动翻转。	生成PWM波、方波。
强制为无效电平	手动强制输出为低电平（或高电平）。	强制关闭输出。
强制为有效电平	手动强制输出为高电平（或低电平）。	强制开启输出。
PWM模式1	在向上计数时，当CNT<CCR时通道为有效电平，否则为无效电平。	生成PWM信号（最常用）。
PWM模式2	在向上计数时，当CNT<CCR时通道为无效电平，否则为有效电平。	生成PWM信号。

注意：我们常说的"输出比较"通常泛指这些模式的集合，而PWM模式是其中应用最广泛的一种特殊形式。

4. 关键寄存器介绍

配置输出比较模式，主要涉及以下几个寄存器：

TIMx_ARR（自动重装载寄存器）：决定计数器的周期，即定时器溢出的值。
TIMx_PSC（预分频器）：对定时器的时钟源进行分频，用于调整计数频率。
TIMx_CCRx（捕获/比较寄存器） ：这是核心！你设定的比较值，决定了输出波形特征（如PWM的占空比）。
TIMx_CCMRx（捕获/比较模式寄存器）：
- 配置通道为输出模式 (CCxS位)。
- 选择上述8种输出比较模式之一 (OCxM位)。
- 配置输出预装载功能等。
TIMx_CCER（捕获/比较使能寄存器）：
- 使能输出通道 (CCxE位)。
- 配置输出极性 (CCxP位)，决定何为有效电平（高/低）。
TIMx_CR1（控制寄存器1）：
- 使能定时器计数器 (CEN位)。
- 设置计数方向 (DIR位) 等。

5. 配置步骤（以生成PWM为例）

以下是使用库函数（如标准库或HAL库）配置输出比较为PWM模式的一般步骤：

步骤1：初始化GPIO

将定时器通道对应的GPIO引脚配置为复用推挽输出模式。
例如：TIM3_CH2 对应 PA7。

步骤2：初始化定时器基础时基

配置 TIMx_PSC（预分频器），确定计数时钟 CK_CNT = F_CLK / (PSC + 1)。
配置 TIMx_ARR（自动重装载值），确定计数周期和PWM频率。
- PWM频率 = CK_CNT / (ARR + 1)

步骤3：配置输出比较通道

设置通道为输出模式 (CCxS=00)。
设置模式为 PWM模式1 或 PWM模式2 (OCxM)。
使能输出的预装载功能 (OCxPE)，保证更改CCR值在下次更新时才生效，避免毛刺。

步骤4：使能通道输出

在 TIMx_CCER 寄存器中，使能输出 (CCxE=1)，并配置极性 (CCxP)。

步骤5：启动定时器

使能定时器计数器 (CEN=1)。
如果需要，使能ARR的预装载器 (ARPE=1)。

二.逐条分析

1.输出比较（oc）

（1）简介

在这里我们可以看到这里就是我们的输出比较寄存器。

CNT就是时基单元里面的计数器，CCR就是捕获比较寄存器（CC是捕获比较的意思，R是register是寄存器意思）这个寄存器是输入捕获和输出比较共用的，当使用输入捕获时，就是输入捕获寄存器，让使用输出比较时，就是输出比较寄存器。

（2）工作原理

在输出比较这里，这块会比较，CNT和CCR的值，CNT计数自增CCR是我们给定的一个值。

当CNT大于CCR，小于CCR，等于CCR的值的时候

这里会固定的置1，置0这样子就可以输出一个不断跳变的PWM波形了。这就是输出比较的基本功能。

我们这里有四个输出比较通道，可以同时输出四个PWM波形。

这四个通道有他们各自的CCR寄存器但是CNT计数器时公用的。然而高级定时器，前三个输出比较通道还具备死区生成，互补输出的功能。这个是用来驱动三相无刷电机的，我们这暂时不用。

2.PWM波形简介

PWM的应用场景需要是惯性场景，也就是说LED在熄灭的时候，由于余晖，以及人眼视觉暂留现象。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。电机同理，当电机断电时候电机的转动不会立马停止，而是由一定的惯性，过一会才停。

从第一个图可以看出，这种高低电平跳变的数字信号，可以等效为，中间虚线模拟量信号的。当上面的电平长一点，下面电平时间短一点，那么等效的模拟量，就会偏上面。

反之，下面电平时间长一点，上面电平时间短一点，产生的模拟量信号就会偏向于下面。

1.几个重要参数

所以使用PWM时候会有几个重要的参数

（1）频率

1.频率 = 1/Ts Ts就是这里，代表一个高低电平变换周期的时间，周期倒数就是频率。

PWM频率越快，表示等效的模拟信号越平稳，不过性能开销就越大。一般来说PWM的频率在几K或者几十KHz左右，这个频率就已经足够快了。

（2）占空比

占空比 = Ton/Ts Ton是这里高电平的期间，Ts是一个周期的时间，那么Ton/Ts就是高电平时间相对于我们整个周期时间的比例。一般用%表示，

比如占空比是50%，也就是说高，低电平各占一半。占空比为20%那么就是高电平占比20%，低电平占比80%.

占空比决定了PWM等效出来的模拟电压大小，占空比越大，那么等效出来的模拟电压就越趋近于高电平。占空比越小，等效的模拟电压就越趋近于低电平。

比如说高电平时5V低电平是5V，低电平是0V，那么50%的占空比就等效于中间电压，2.5V。

如果是20%占空比就是1V。

（3）分辨率

分辨率 = 占空比变化的布距。比如说占空比以1%的布距跳变，那么分辨率就为1%。

分辨率就是占空比的最小变化量，也就是占空比精度。

2.高级定时器输出比较通道

3.通用定时器输出比较通道

这个就是我们这条通道的电路。

他的输入时CNT和CCR比较电路，右边就是输出比较电路，通过TIM_CH1输出到我们的GPIO引脚上。

左边的就是CNT计数器和CCR1第一路的捕获比较寄存器，他俩进行比较，当CNT>CCR1或者CNT=CCR1时候，就会给这个输出模式控制器传递一个信号，然后输入模式控制器，就会改变它OC1REF高低电平。REF是reference的缩写意思是参考信号。

上面的ETRF是定时器的一个小功能，一般不用。

接着这个REF信号可以前往主模式控制器，可以把这个REF映射到主模式的TRGO上面去。

但是REF常走的是这里。给这个寄存器写0信号就会往上走，使信号不翻转，进来什么信号，出去什么信号，

写1的话，信号就会往下走，经过一个非门取反，那输出的信号就会翻转，输入高电平，输出低电平。

接下来时输出使能电路，决定要不要输出。最后就是OC1引脚，这个引脚就是CH1通道引脚。在引脚定义表里就可以知道是哪个GPIO了。

4.输出比较的八种模式

这八种状态也就是，输入模式控制器里面的执行逻辑。

（1）冻结

会暂停PWM的输出，PWM的输出保持不变。

接着的两个模式都是暂时输出一下，不会连续。

（2）翻转

可以用来产生占空比50%，频率可调的PWM波形。假设把CCR的值设置为0，CNT每次更新清0时候，都会产生一次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，并且高，低电平所持续的时间，都是始终相等的。也就是占空比50%。

输出波形的频率=更新频率/2，因为每两个波形，才能产生一个周期。

（3）PWM1和PWM2

如图，PWM2就相当于PWM1取反。

5.PWM的基本结构

左面是时钟源选择，时基单元配置，只是不需要中断了，因为我们配置好时基单元，CNT就会开始计数。下面是我们CCR捕获/比较器，然后是两个PWM模式选择，接着是使能选择，到最后的GPIO。

6.PWM产生的过程

这里我们蓝色线是CNT的值，黄色线是ARR的值。红色线是CCR的值。

蓝色线从0开始自增，增加到ARR的值，也就是99，然后清零，继续自增，周而复始

比如我们设置红色线的CCR为30。之后执行PWM1里面的逻辑，把CNT和CCR进行比较。

下面的绿色线就是我们的输出。

在这一块，我们可以看到CNT小于CCR的值，所以置高电平。

到后面CNT大于等于CCR的值就变为了低电平。

当CNT自增清零后，CNT又小于CCR的值，所以置高电平。在之后又是CNT大于等于CCR的值，置高电平，一直重复，这样REF的电平就会不断变化，并且他的占空比是受CCR值调控的。

如果CCR设置的高一些，输出占空比就会变大，反之占空比就会变小。

这里的REF是输出可调，占空比也可调的PWM波形。

7.PWM参数的计算

这里是PWM的一个周期，可以看到，他始终对应着，CNT计数器溢出的一个周期。所以PWM的频率就等于计数器的更新频率。

PWM的频率=CK_PSC/(PSC+1)/(ARR+1)

PWM的占空比=CCR/(ARR+1)

PWM的分辨率=1/（ARR+1）

三.PWM驱动案例

1.PWM驱动舵机

SG90型号舵机。有三根输入线，两根电源线，一根控制线，就是我们PWM控制。

执行逻辑是：PWM信号给到控制板给控制板一个指定的角度。然后电位器检测输出轴当前的角度。如果大于目标角度，电机就会反转，小于目标角度，电机就会正转。最终使输出轴固定在目标角度。

PWM信号的要求，周期为20ms也就是50Hz，高电平宽度是0.5-2.5ms也就是占空比是这个范围。

输出角度对应我们右边的图，因为我们的舵机是180°的舵机。

这句话的意思是这个上升沿到下一个上升沿，到来之间的时间是20ms。

实际应用的话，比如说，机器人，机械臂，可以用舵机控制关节，遥控车，遥控船可以用舵机控制方向。这里的PWM波形，相当于一个通讯协议。因为很多控制器都有PWM输出的功能，而且PWM只需要一根控制线。

舵机的硬件电路。

2.直流电机的PWM驱动

（1）了解直流电机

因为这个直流电机是一个单独的电机，没有驱动电路，所以我们就要外挂一个驱动电路进行驱动。

因为直流电机是大功率器件，GPIO口无法直接驱动。

这里我们使用的是130型号电机。

我们使用的是TB6612这款电机驱动芯片，这款芯片是有两路驱动电路的可以独立控制两个电机。

又因为他是H桥型的驱动电路里面一路有四个开关管，就可以控制正反转。

这个是我们H桥电路基本结构，是由两个推挽电路组成

比如说左边的，上管导通，下管断开，我们的D1就是接在VM电机的电源正极。

下管导通上管断开，那就是接在PGND的电源负极。

如果是两路推挽电路，左上和右下导通，电流从左流向右边。

如果右上和左下导通，电流方向就反过来了，电流从右流向左边。

（2）硬件电路讲解

H桥可以控制电机电流的方向，就可以控制电机正反转。

硬件电路。

VM是电机电源的正极。范围是4.5-10V，根据电机额定电压确定。

VCC是逻辑电平输入端。范围是2.7-5.5V，跟控制器电源保持一致，比如说我们是用STM32控制，所以我们因该接3.3V。

GND直接接入系统GND就可以

AO1,AO2。BO1,BO2是两路电机的输出。

他们的控制端就是上面的这三个。PWMA，AIN1,AIN2，控制我们AO1,AO2这一路输出端。这三个口直接接到单片机的输出端就行，

PWMA要接PWM输出角。其他两个引脚可以接任意两个普通的GPIO口。这三个引脚给一个微弱的控制信号，驱动电路就会从VM汲取电流来输出到电机。这样就能完成低功率的控制信号。控制大功率设备的目的了。

右边的和我们左边的一样。BO1,BO2。他们的控制端是上面的PWMB，BIN1,BIN2。

两路的操作和功能是一样的。

最后的是我们一个STBY（stand by）引脚，这个是待机控制角。如果接GNE芯片就不工作，处于待机状态。如果接逻辑电源VCC，就可以正常工作了。这个引脚如果不需要待机模式的情况下，可以直接接入3.3V。如果需要的话可以接任意一个GPIO，用我们GPIO高低电平进行控制就可以了。

（3）电机工作模式讲解

这个表讲述了如何控制电机正反转。STBY高电平工作，低电平待机，这个就不用看了。右边是输出，O1,O2和模式状态。

（1）在这里如果IN1和IN2都接高电平，那么两个输入没有电压差，电机就不会转动。

（2）如果IN1和IN2都接低电平，那么直接没有输入，电机也不会转动。

（3）只有IN1和IN2一个给高电平，一个给低电平电机才会转动，但是此时转动还要看PWM，如果PWM给高电平输出就是一低一高，电机有了电压差，就会转动。这时定义的时反转。

如果PWM给低电平那么输出还是两个低电平，电机还是不会转动。

如果PWM是一个快速翻转的信号，那么电机就会，反转-停止-反转-停止。如果PWM足够块那么电机就可以连续平稳的反转了。并且速度取决于PWM信号的占空比。

（4）正转就是给IN1高电平IN2低电平。电机是正传状态，转还是不转，取决于PWM信号，

如果PWM给高电平输出就是一低一高，电机有了电压差，就会转动。这时定义的时正转。

如果PWM给低电平那么输出还是两个低电平，电机还是不会转动。

如果PWM是一个快速翻转的信号，那么电机就会，正转-停止-正转-停止。如果PWM足够块那么电机就可以连续平稳的正转了。并且速度取决于PWM信号的占空比。

3.手册观看

最后我们可以看一下手册

强制输出，输出比较。

以及PWM模式。到这里我们就结束了，代码部分会在下次博客进行更新讲解。