【江科大STM32学习笔记-06】TIM 定时器 - 6.2 定时器的输出比较功能

風清掦2026-02-22 8:27

前言

第六章 TIM 定时器主要包含以下四个部分：

  • **第一部分：**定时器基本定时功能（已学习）
  • **第二部分：**定时器输出比较功能（本篇内容）
  • **第三部分：**定时器输入捕获功能
  • **第四部分：**定时器编码器接口功能

其中，输出比较是本章的核心内容之一，因为它是 STM32 产生 PWM 波形的基础。几乎所有涉及"功率控制"或"模拟量控制"的应用，背后都离不开 PWM 技术。因此，掌握输出比较功能，是使用 STM32 进行电机控制、机器人开发等项目的基础。

目录

前言

[1 输出比较模式](#1 输出比较模式)

[1.1 简介](#1.1 简介)

[1.2 工作原理](#1.2 工作原理)

[第一阶段：时基单元运行（Time Base）------ 决定波形的频率](#第一阶段：时基单元运行（Time Base）—— 决定波形的频率)

[第二阶段：比较单元判定（Comparator）------ 决定波形的占空比](#第二阶段：比较单元判定（Comparator）—— 决定波形的占空比)

[第三阶段：输出模式控制（Mode Controller）------ 生成中间参考信号 OCxREF](#第三阶段：输出模式控制（Mode Controller）—— 生成中间参考信号 OCxREF)

[第四阶段：输出控制电路（Output Stage）------ 极性选择与引脚驱动](#第四阶段：输出控制电路（Output Stage）—— 极性选择与引脚驱动)

总结

[1.3 输出比较的8种模式](#1.3 输出比较的8种模式)

[1.4 关键寄存器介绍](#1.4 关键寄存器介绍)

[3 PWM 简介](#3 PWM 简介)

[3.1 什么是PWM？](#3.1 什么是PWM？)

[3.2 PWM 波形的形成机制（STM32 实现原理）](#3.2 PWM 波形的形成机制（STM32 实现原理）)

[3.3 PWM 的关键参数与计算](#3.3 PWM 的关键参数与计算)

[3.3.1 频率 (Frequency)](#3.3.1 频率 (Frequency))

[3.3.2 占空比 (Duty Cycle)](#3.3.2 占空比 (Duty Cycle))

[3.3.3 分辨率 (Resolution)](#3.3.3 分辨率 (Resolution))

[3.3.4 参数配置实例：确定相关寄存器的值](#3.3.4 参数配置实例：确定相关寄存器的值)

[3.4 PWM在惯性系统中的应用](#3.4 PWM在惯性系统中的应用)

[4 PWM 输出的配置与实现](#4 PWM 输出的配置与实现)

[4.1 参数选型：锁定寄存器配置值](#4.1 参数选型：锁定寄存器配置值)

[4.2 PWM初始化流程](#4.2 PWM初始化流程)

[4.2.1 开启时钟](#4.2.1 开启时钟)

[4.2.2 配置 GPIO (复用推挽输出)](#4.2.2 配置 GPIO (复用推挽输出))

[4.2.3 配置时基单元](#4.2.3 配置时基单元)

[4.2.4 配置输出比较单元](#4.2.4 配置输出比较单元)

[4.2.5 启动定时器](#4.2.5 启动定时器)

[4.3 动态调整占空比（实现呼吸灯）](#4.3 动态调整占空比（实现呼吸灯）)

[4.3.1 预装载与影子寄存器机制](#4.3.1 预装载与影子寄存器机制)

[4.4 PWM引脚重映射(Remap)](#4.4 PWM引脚重映射(Remap))

[4.4.1 映射方案选择与引脚分析](#4.4.1 映射方案选择与引脚分析)

[4.4.2 资源冲突深度解析：PA15 与 JTAG](#4.4.2 资源冲突深度解析：PA15 与 JTAG)

[4.4.3 重映射配置步骤](#4.4.3 重映射配置步骤)

[4.4.4 完整代码示例](#4.4.4 完整代码示例)

[4.4.5 配置要点与排错指南](#4.4.5 配置要点与排错指南)

[5 相关元器件简介](#5 相关元器件简介)

[5.1 SG90 9g 舵机（伺服电机）](#5.1 SG90 9g 舵机（伺服电机）)

[5.1.1 简介](#5.1.1 简介)

[5.1.2 内部闭环控制原理](#5.1.2 内部闭环控制原理)

[5.1.3 PWM 控制协议与角度映射](#5.1.3 PWM 控制协议与角度映射)

[5.1.4 基于 STM32 的 PWM 参数计算](#5.1.4 基于 STM32 的 PWM 参数计算)

[5.1.5 角度与 CCR 值的线性转换逻辑](#5.1.5 角度与 CCR 值的线性转换逻辑)

[5.1.6 进阶探讨：舵机抖动原因与多路控制策略](#5.1.6 进阶探讨：舵机抖动原因与多路控制策略)

[5.2 130电机马达](#5.2 130电机马达)

[5.2.1 物理架构与电磁转换机理](#5.2.1 物理架构与电磁转换机理)

[5.2.2 机电特性参数分析](#5.2.2 机电特性参数分析)

[5.2.3 硬件接口约束与保护逻辑](#5.2.3 硬件接口约束与保护逻辑)

[5.2.3.1 功率放大与驱动隔离](#5.2.3.1 功率放大与驱动隔离)

[5.2.3.2 反电动势及其抑制](#5.2.3.2 反电动势及其抑制)

[5.2.3.3 电源噪声抑制](#5.2.3.3 电源噪声抑制)

[5.3 TB6612FNG电机驱动模块](#5.3 TB6612FNG电机驱动模块)

[5.3.1 模块架构与技术优势](#5.3.1 模块架构与技术优势)

[5.3.2 硬件接口与引脚定义](#5.3.2 硬件接口与引脚定义)

[5.3.3 控制逻辑真值表与状态解析](#5.3.3 控制逻辑真值表与状态解析)

[5.3.4 实现结论与工程建议](#5.3.4 实现结论与工程建议)

[6 本章节实验](#6 本章节实验)

[6.1 PWM驱动LED呼吸灯](#6.1 PWM驱动LED呼吸灯)

[6.1.1 实验目标](#6.1.1 实验目标)

[6.1.2 硬件设计](#6.1.2 硬件设计)

[6.1.3 软件设计](#6.1.3 软件设计)

[6.1.4 实验现象](#6.1.4 实验现象)

[6.2 PWM驱动舵机](#6.2 PWM驱动舵机)

[6.2.1 实验目标](#6.2.1 实验目标)

[6.2.2 硬件设计](#6.2.2 硬件设计)

[6.2.3 软件设计](#6.2.3 软件设计)

[6.2.4 实验现象](#6.2.4 实验现象)

[6.3 PWM驱动直流电机](#6.3 PWM驱动直流电机)

[6.3.1 实验目标](#6.3.1 实验目标)

[6.3.2 硬件设计](#6.3.2 硬件设计)

[6.3.3 软件设计](#6.3.3 软件设计)

[6.3.4 实验现象](#6.3.4 实验现象)

1 输出比较模式

1.1 简介

**输出比较（Output Compare，简称OC）**是STM32定时器的一项核心功能，广泛应用于PWM波形生成、精确延时控制、外部事件触发等场景。其基本原理可以概括为：将定时器的计数器（CNT）与预先设定的捕获/比较寄存器（CCR）进行比较，当两者满足特定关系（如相等、大于或小于）时，通过硬件自动翻转 GPIO 引脚的电平，从而生成精确的波形。

通俗地说，输出比较就像给定时器设置了一个"闹钟"：当计数器走到我设定的数值（CCR）时，引脚就自动执行一个动作（比如翻转电平、输出高电平或低电平）。这种自动化的硬件机制，使得生成精确的PWM波形变得简单高效。

STM32 通用定时器（如 TIM2-TIM5）的结构框图如下所示，图中标示的"输出比较部分"即为通用定时器的输出比较模块电路，包含 4 个独立的输出比较通道，它们共用同一个计数器，但每个通道都有独立的 CCR 寄存器和输出引脚。

1.2 工作原理

输出比较的本质，是利用 CNT 与 CCR 的数值关系，通过一系列硬件电路的处理，最终在 GPIO 上输出特定的电平。如图所示：

我们可以将这个过程拆解为以下四个核心阶段：

第一阶段：时基单元运行（Time Base）------ 决定波形的频率

定时器启动后，计数器 CNT 在时钟驱动下开始运行。CNT 的计数模式决定了波形的基础周期，常见的模式有：

  • 向上计数模式：CNT 从 0 递增至自动重装载值（ARR），发生溢出后清零，循环往复。这是生成 PWM 最常用的模式。如下图所示：
  • 向下计数模式：CNT 从 ARR 递减至 0，然后重新加载 ARR 再次递减；
  • 中心对齐计数模式：CNT 先从 0 递增至 ARR，再从 ARR 递减至 0，循环往复；

关键点：ARR（自动重装载寄存器）的值决定了计数器的溢出周期，也就是最终输出波形的周期（频率）。

第二阶段：比较单元判定（Comparator）------ 决定波形的占空比

在 CNT 运行过程中，硬件电路会实时比较 CNT （当前计数值）与 CCR（预设比较值）的大小。比较结果通常分为三种情况：

  • CNT < CCR
  • CNT = CCR
  • CNT > CCR

这个比较结果是生成 PWM 信号的原始依据。CCR 的值决定了电平翻转的时间点，也就是最终波形的占空比。

第三阶段：输出模式控制（Mode Controller）------ 生成中间参考信号 OCxREF

比较结果出来后，并不是直接输出到引脚，而是先送入"输出模式控制器"。根据寄存器 TIMx_CCMRx 中 OCxM 位的配置（如 PWM 模式 1、PWM 模式 2、翻转模式等），生成一个中间参考信号 OCxREF (Output Compare Reference)。如图所示：

OCxREF 是一个逻辑信号（高电平/低电平），代表了当前通道在逻辑上是"有效"还是"无效"。例如，在向上计数模式下，PWM模式1的规则如下：

  • 当 CNT < CCR 时：OCxREF = 1（有效状态）
  • 当 CNT ≥ CCR 时：OCxREF = 0（无效状态）

第四阶段：输出控制电路（Output Stage）------ 极性选择与引脚驱动

OCxREF 信号还需要经过最后一道关卡才能到达 GPIO 引脚，这部分电路主要负责极性调整 和输出使能。

极性选择（Polarity） 由寄存器 TIMx_CCER 的 CCxP 位控制。它决定了"有效电平"对应的是物理上的高电平还是低电平。逻辑关系如下：

CCxP 配置 逻辑关系 结果说明
0 正极性 (同相) OCxREF 为高 -> 引脚输出 高电平
1 负极性 (反相) OCxREF 为高 -> 引脚输出 低电平

输出使能（Enable） 由 TIMx_CCER 的 CCxE 位控制。

  • CCxE = 1：开启输出开关，信号通过 GPIO 引脚（如 PA0）输出。
  • CCxE = 0：关闭输出。

只有在输出使能的情况下，信号才会真正出现在对应的定时器输出引脚 TIMx_CHx 上。例如，TIM2_CH1默认映射到PA0引脚。

总结

将上述流程串联起来，我们可以清晰地看到 PWM 波形的生成路径：

  1. CNT 在 0 到 ARR 之间循环计数（决定频率）。
  2. CCR 设定了一个阈值切割点。
  3. 比较器 根据 CNT 与 CCR 的关系，输出逻辑电平。
  4. 极性电路 决定最终的高低电平。

最终效果： 随着 CNT 的周期性变化，输出引脚 TIMx_CHx 上会产生连续的脉冲波形。我们只需要通过软件修改 CCR 寄存器的值，就可以在不停止定时器的情况下，平滑地改变输出波形的占空比，实现对电机速度或 LED 亮度的精准控制。如图所示：

1.3 输出比较的8种模式

输出比较模式的核心在于：当CNT与CCR的比较结果满足条件时，如何控制OCxREF的电平。这些模式通过配置捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMRx）中的OCxM[2:0]位来实现，共有8种模式。下表详细列出了这8种模式及其典型应用：

OCxM[2:0]配置 模式名称 功能描述 典型应用
000 冻结 比较匹配时，OCxREF保持原状态，不受比较结果影响。 暂停波形输出，维持当前电平
001 匹配时置有效电平 当CNT = CCR时，OCxREF强制为有效电平（高电平）。 产生固定宽度的正脉冲
010 匹配时置无效电平 当CNT = CCR时，OCxREF强制为无效电平（低电平）。 产生固定宽度的负脉冲
011 匹配时翻转 当CNT = CCR时，OCxREF电平翻转。 生成50%占空比的方波信号
100 强制为无效电平 无视比较结果，强制OCxREF为无效电平（低电平）。 强制关闭输出
101 强制为有效电平 无视比较结果，强制OCxREF为有效电平（高电平）。 强制开启输出
110 PWM模式1 向上计数时：CNT < CCR时输出有效电平，CNT ≥ CCR时输出无效电平。 最常用模式，生成频率和占空比可调的PWM波形
111 PWM模式2 向上计数时：CNT < CCR时输出无效电平，CNT ≥ CCR时输出有效电平。 生成与PWM1极性相反的PWM波形

模式说明：

  • 冻结模式：当你正在输出PWM波，想暂停输出时，可以临时切换为冻结模式，输出将维持在暂停时刻的电平状态。
  • 匹配时翻转模式：可以方便地输出一个频率可调、占空比始终为50%的PWM波形。例如设置CCR=0，则每次CNT更新清零时都会产生比较匹配，电平翻转一次。每更新两次，输出为一个周期，且高低电平时间相等。
  • PWM模式1和PWM模式2：两者本质上是互补关系------它们产生的波形正好极性相反。在实际应用中，通常只需掌握PWM模式1，配合极性选择功能即可灵活实现各种需求。我们后续的实验也将主要使用PWM模式1。

1.4 关键寄存器介绍

配置和使用输出比较功能，主要涉及以下几个关键寄存器：

寄存器 名称 作用描述
TIMx_CNT 计数器 核心计数器，不断递增或递减，其值反映时间流逝。
TIMx_CCR 捕获/比较寄存器 存放用户设定的比较值，是决定输出波形特征（如PWM占空比）的关键。每个通道有自己的CCR寄存器。
TIMx_ARR 自动重装载寄存器 决定计数器的计数周期，即PWM波形的频率。计数器计数到ARR后溢出重装。
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_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（OCxPE位）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），决定有效电平对应高电平还是低电平。
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。
TIMx_SR 状态寄存器 当比较匹配发生时，相应的CCxIF标志位会被置1。
TIMx_DIER DMA/中断使能寄存器 使能比较匹配中断（CCxIE位）或DMA请求（CCxDE位）。

关于CCR预装载功能：TIMx_CCRx寄存器有影子寄存器，可以通过OCxPE位控制是否启用预装载功能。当启用时，写入CCR的新值不会立即生效，而是在下一次更新事件（UEV）时才加载到影子寄存器，这样可以避免在周期中间突然改变比较值而导致波形异常。

3 PWM 简介

3.1 什么是PWM？

PWM （Pulse Width Modulation），全称为脉冲宽度调制 ，是一种利用微处理器的数字输出信号实现模拟量控制的技术。简而言之，PWM 是一种将模拟信号电平进行数字化编码的方法。

单片机的 IO 口在任意时刻只能输出两种离散状态：高电平（如 3.3V）或低电平（0V），属于典型的数字信号，无法直接输出连续变化的模拟电压。然而，如果让 IO 口按照固定周期不断输出高低电平，并通过调节高电平在周期中的持续时间比例（占空比），就可以改变信号的平均电压值，使其在整体效果上等效为一个介于 0V 和 3.3V 之间的连续模拟量。

从原理上看，这种等效关系可以用面积等效法来解释：在一个固定周期内，PWM 波形的电压-时间面积，与目标模拟电压在同一周期内的面积相等，因此两者具有相同的平均电压效果。如下图所示：PWM 对应模拟信号的等效图。

为了更直观地理解这一点，可以引入惯性系统的概念。所谓惯性系统，是指其响应无法跟随输入信号的高速变化，而是表现为对输入信号的平均响应。例如，控制一个 LED 以极高频率（如每秒 1000 次）快速开关：

  • 如果 LED 在 50% 的时间内点亮，50% 的时间内熄灭；
  • 由于人眼存在视觉暂留效应（视觉惯性），无法分辨这种高速闪烁；
  • 最终看到的不是闪烁，而是一个亮度约为全亮一半的稳定光。

从能量等效角度来看，这相当于给 LED 施加了一个等效电压：3.3V×50%=1.65V

同样的原理也适用于其他具有惯性的系统，例如：

  • 电机的转动惯量，使其转速反映平均电压；
  • 电容的充放电特性，使输出电压趋于平滑；
  • 低通滤波电路，可将 PWM 转换为稳定的模拟电压。

因此，只要 PWM 的开关频率足够高，负载就无法跟随其瞬时变化，而只表现出平均效果，从而实现用数字信号输出模拟量的目的。

提示：上文中的"惯性"与电路中的惯性系统的 关系

这里的"惯性"其实是一个广义的低通滤波概念。例如：

  • 物理/机械惯性：如电机的转子质量，它无法随高频信号瞬间启停，只能响应能量的平均值。
  • 生物惯性：如人眼的视觉暂留，本质上是神经感官对光线变化的滞后反应。
  • 电路惯性：也就是我们在电路书籍中常看到的电容（电压不能突变）和电感（电流不能突变）。

它们本质上都是在扮演"储能缓冲"的角色。正是因为有了这些惯性（滤波效应），PWM的高频方波才能被平滑成稳定的模拟量。如果没有惯性，PWM就只是无意义的快速开关切换。

3.2 PWM 波形的形成机制（STM32 实现原理）

这里与输出比较的工作原理一节高度重合，因为都是以产生PWM波形为目的去解释其工作原理的，所以这里只大致介绍一下。

在 STM32 中，PWM 波形的产生依赖于定时器内部两个核心寄存器的配合：计数器 (CNT) 和 捕获/比较寄存器 (CCR)。

工作流程大致分以下三个阶段：

（1） 计数阶段：定时器启动后，计数器 CNT 在时钟驱动下从 0 开始不断累加，直到达到自动重装载值 ARR，然后清零重新开始。这个周期性的计数过程形成了一个"锯齿波"或"三角波"的时间基准。

（2） 比较阶段：在 CNT 计数的过程中，硬件电路会实时将 CNT（当前值） 与 CCR（预设比较值） 进行比较：

  • 当 CNT < CCR 时：输出有效电平（例如高电平）。
  • 当 CNT ≥ CCR 时：输出无效电平（例如低电平）。

（3） 波形输出：随着 CNT 的周期性变化，输出引脚上就会自动产生出一连串脉宽固定的方波。如图所示：

  • 改变 ARR：改变了计数周期的长短，即调整了 PWM 的频率。
  • 改变 CCR：改变了电平翻转的阈值点，即调整了 PWM 的占空比。

这种机制完全由硬件自动完成，无需 CPU 干预，因此效率极高。

3.3 PWM 的关键参数与计算

描述一个 PWM 信号，离不开三个核心参数：频率 、占空比 和分辨率。在 STM32 开发中，它们与硬件寄存器（PSC、ARR、CCR）存在严格的数学对应关系。

3.3.1 频率 (Frequency)

指 1 秒钟内 PWM 信号周期的个数。频率越高，等效输出的模拟信号越平滑，纹波越小，但系统性能开销也越大。

物理定义：

计算公式：

  • CK_PSC：定时器的输入时钟频率（通常为 72MHz）。
  • PSC：预分频系数。
  • ARR：自动重装载值（决定周期长度）。

3.3.2 占空比 (Duty Cycle)

指一个周期内，有效电平（高电平）持续时间占整个周期的比例。它直接决定了等效输出的模拟电压的大小。占空比越大，平均电压越高。

物理定义：

计算公式：

3.3.3 分辨率 (Resolution)

指占空比可调节的最小步长，即 PWM 对输出控制的"细腻程度"。分辨率越高，对电压或速度的控制就越细腻。

计算公式：

所以，ARR 值越大，分辨率越高（步长越小），控制越精细。

3.3.4 参数配置实例：确定相关寄存器的值

在 STM32 中生成特定的 PWM 波形，本质上是一个逆向推导的过程。我们需要根据应用需求，利用 PWM 的三大核心公式，依次锁定硬件中三个关键寄存器的数值：PSC（预分频器） 、ARR（自动重装载寄存器） 和 CCR（捕获/比较寄存器）。

  • 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)

核心逻辑说明：

  • 确定 ARR：由分辨率（步进精度）决定。
  • 确定 PSC：由目标频率与已确定的 ARR 共同决定。
  • 确定 CCR：由目标占空比与已确定的 ARR 共同决定。

具体示例如下：

配置需求：利用 STM32（主频 72MHz）产生一个频率为 1kHz 、占空比 50% （可任意调节）、分辨率为**1%**的 PWM 波形。计算步骤如下：

（1）确定 ARR (由分辨率决定)

分辨率定义为占空比变化的最小步长。要求 1% 的分辨率，意味着需要将一个完整的周期等分成 100 份。

（2）确定确定 PSC (由目标频率决定)

目标 1kHz，且ARR = 99，代入频率公式：

解得：

（3）确定 CCR (由目标占空比决定)

假设我们需要初始输出 50% 占空比的波形。已知： ARR = 99，PSC = 719。代入占空比公式：

最终的硬件参数设置如下：

寄存器名称 设定值 对应物理含义
PSC 719 将 72MHz 时钟进行 720 分频，产生 100kHz 的计数频率
ARR 99 每计满 100 个数溢出一次，产生 1kHz 的 PWM 周期
CCR 0 ~ 100 调节该值即可在 0% ~100% 范围内改变占空比

通过这三个值的配合，就能锁定PWM波形的频率和分辨率，并确定其占空比。

3.4 PWM在惯性系统中的应用

PWM 技术因其高效率和低成本，广泛应用于各类惯性系统中。所谓惯性系统，是指对输入信号变化反应有滞后、能起到"低通滤波"作用的系统。例如：

  • LED 亮度控制（调光） 利用人眼的视觉暂留效应。当 PWM 频率大于 50Hz 时，人眼无法分辨闪烁，只能感知到亮度的变化。这是手机屏幕亮度调节和呼吸灯的核心原理。
  • 直流电机调速 利用电机的机械惯性（转子转动惯量）。电机转速取决于电枢两端的平均电压。相比于传统的电阻分压调速，PWM 方式发热少、能效比极高。
  • 占空比**↑**------> 平均电压↑ ------> 转速加快
  • 占空比↓ ------> 平均电压↓ ------> 转速减慢
  • 开关电源 (SMPS) 通过控制功率管（MOSFET）的导通时间（占空比）来精确控制输出电压。这是所有现代电子设备供电的基础。
  • 音频信号生成 (DAC) 通过高速 PWM 配合 RC 低通滤波器，可以将数字音频流还原为模拟声波，常用于简单的语音播放。

PWM技术之所以应用如此广泛，得益于其显著的优点：

  • 抗干扰能力强：信号始终在全高或全低电平工作，数字传输不易受模拟噪声影响。
  • 能效高：控制元件（如三极管/MOS管）工作在开关状态，导通时压降小，截止时电流小，显著降低了功耗和发热。
  • 实现简单：现代微控制器（MCU）内部均集成了专用的硬件 PWM 模块，无需复杂的外部电路。

4 PWM 输出的配置与实现

在掌握了 PWM 的理论基础后，本节进入代码实战环节。我们将以 STM32F103 为例，详细拆解如何配置定时器以输出 PWM 波形，并实现占空比的动态调整。

​​​​​​​在本节的演示中，我们的目标是生成一个具有以下特征的 PWM 波形：

  • 输出引脚：使用 TIM2 的通道 1（默认引脚为 PA0）。
  • 波形规格：频率为 1kHz，占空比 0%~100% 可调，且具有 1% 的调节分辨率。
  • 应用实例：最终通过动态修改占空比，在 PA0 引脚上实现一个平滑的呼吸灯效果。

4.1 参数选型：锁定寄存器配置值

​​​​​​​根据实验要求的1kHz频率和1%分辨率，需要先计算出对应的寄存器参数值。基于 3.3.4 节的推导逻辑，我们确定了以下三个关键配置参数，这些参数与STM32硬件寄存器的对应关系如下表所示：

目标需求 对应寄存器 参数值
调节精度 (1%) ARR (自动重装载值) ARR = 100 - 1
波形频率 (1kHz) PSC (预分频系数) PSC = 720 - 1
初始占空比 (0%) CCR (比较值) CCR = ０

​​​​​​​通过这组参数配置，定时器的计数频率被设定为 100kHz，每计满 100 个数产生一个 PWM 周期。此时，只需在程序中将 CCR 的值在 0 ～100 之间调整，即可实现精度为 1% 的全范围占空比控制。如图所示：

4.2 PWM初始化流程

​​​​​​​配置 PWM 输出通常遵循一套固定的"五步法"。为了便于演示，我们将 TIM2 的通道 1 (CH1) 配置为 PWM 输出，该通道默认映射在 PA0 引脚。

4.2.1 开启时钟

​​​​​​​任何外设在使用前都需要先开启其时钟。我们需要分别开启定时器和 GPIO 的时钟。注意它们挂载的总线可能不同。

cpp 复制代码 
// 开启TIM2的时钟。TIM2是APB1总线上的外设。
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

// 开启GPIOA的时钟，因为我们要使用PA0引脚。GPIOA是APB2总线上的外设。
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

4.2.2 配置 GPIO (复用推挽输出)

​​​​​​​关键点：要使定时器能够控制GPIO引脚的电平，引脚模式必须配置为 复用推挽输出 (GPIO_Mode_AF_PP)。

  • 普通推挽：引脚电平由输出数据寄存器（ODR）控制（即 CPU 软件控制）。

  • 复用推挽 ：引脚控制权移交给片上外设（定时器），由定时器内部信号直接驱动引脚。如图所示：

cpp 复制代码 
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;         // 选择要配置的引脚，TIM2_CH1 默认在 PA0
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 设置为复用推挽输出模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 设置输出速度为50MHz，这是一个常见的速度选择

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);            // 将配置应用到GPIOA端口

4.2.3 配置时基单元

​​​​​​​这一步决定了 PWM 的频率。我们通过TIM_TimeBaseInitTypeDef结构体来配置，主要涉及以下两个成员：

  • TIM_Prescaler：设定预分频器值 PSC；
  • TIM_Period：设定自动重装载值 ARR；
cpp 复制代码 
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;

// 配置时基单元结构体
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;     // 时钟分频，一般不分频
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 计数器向上计数模式
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;                 // 设置自动重装载值ARR
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1;              // 设置预分频值PSC
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;            // 重复计数器，高级定时器才用到，此处填0

// 将配置写入TIM2
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);

4.2.4 配置输出比较单元

​​​​​​​这一步决定了 PWM 的模式 、极性 和初始占空比。我们使用TIM_OCInitTypeDef结构体进行配置。

cpp 复制代码 
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

// 给结构体赋一个初始值，这是一个好习惯，可以避免因未赋值成员导致的意外错误
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure);

// 设置输出比较模式为PWM模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
// 设置输出极性为高，即有效电平为高电平。如果设置为低，则输出波形会取反
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
// 使能输出
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
// 设置初始CCR值，此值决定初始占空比。对于1kHz、ARR=99的PWM，CCR=50对应50%占空比
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; // 初始占空比设为0%

// 将配置应用到TIM2的通道1。不同的通道对应不同的函数：TIM_OC1Init、TIM_OC2Init等
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

// 使能TIM2在CCR1上的预装载寄存器。这样，在运行时修改CCR值，会等到下一个更新事件才生效，避免波形异常
TIM_OC1PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);

注意：先调用 TIM_OCStructInit 给结构体赋默认值，防止未知错误。

4.2.5 启动定时器

​​​​​​​最后一步，开启定时器。

cpp 复制代码 
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

​​​​​​​至此，计数器开始计数，PA0 引脚上将输出一个 1kHz，初始占空比为 0% 的PWM信号。

4.3 动态调整占空比（实现呼吸灯）

​​​​​​​PWM 的核心价值在于其动态控制能力。在程序运行过程中，动态地修改PWM占空比，可以实现呼吸灯效果、电机调速等关键应用。STM32 标准库为此提供了 TIM_SetComparex 系列函数（x 代表通道号，取值为 1-4），这些函数通过直接操作定时器的 CCR 寄存器来实现功能。

​​​​​​​​​​​​​​代码封装示例：

cpp 复制代码 
/**
  * @brief  设置 TIM2 通道 1 的占空比
  * @param  Compare: CCR 数值 (0~100)
  */
void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare)
{
    TIM_SetCompare1(TIM2, Compare);
}

​​​​​​​​​​​​​​在呼吸灯实验中，我们在主循环中不断改变这个Compare值，并调用PWM_SetCompare1，改变PWM占空比，即可以观察到LED亮度的周期性变化。呼吸灯主循环逻辑如下所示：

cpp 复制代码 
while (1)
{
    // 渐亮
    for (int i = 0; i <= 100; i++)
    {
        PWM_SetCompare1(i);
        Delay_ms(10);
    }
    // 渐暗
    for (int i = 0; i <= 100; i++)
    {
        PWM_SetCompare1(100 - i);
        Delay_ms(10);
    }
}

拓展：修改PWM频率：除了占空比，如果需要动态修改PWM的频率，可以使用TIM_SetAutoreload函数来修改ARR寄存器的值。例如，TIM_SetAutoreload(TIM2, NewARR_Value);。同样地，为了使新的ARR值平滑生效，建议在配置时基单元时启用ARR的预装载功能。

4.3.1 预装载与影子寄存器机制

​​​​​​​​​​​​​​在动态调整 PWM 占空比（如实现呼吸灯或电机调速）时，常频繁调用 TIM_SetComparex 函数。为确保输出波形的连续性，防止在计数周期中途修改CCR而导致波形畸变，STM32 硬件设计采用了预装载（Preload） 与**影子寄存器（Shadow Register）**机制。

1. 双缓冲寄存器结构：

​​​​​​​​​​​​​​在硬件底层，捕获/比较寄存器（CCR）并非由单一寄存器组成，而是构成了一套双缓冲结构：

  • 预装载寄存器（Preload Register） ：作为软件层面的操作接口，存放由 TIM_SetComparex 函数写入的新数值。
  • 影子寄存器（Shadow Register）：作为硬件层面的执行核心，其数值直接与计数器（CNT）进行实时比较，控制引脚电平。

2. 占空比更新的执行逻辑

​​​​​​​​​​​​​​当通过 TIM_OCxPreloadConfig 函数使能预装载功能后，CCR 的更新过程受硬件严格同步：

  • 缓冲存储 ：在计数周期运行过程中调用 TIM_SetComparex，新数值仅存储于预装载寄存器中。此时影子寄存器仍持有旧值，继续控制当前周期的 PWM 逻辑。
  • 同步加载：新数值的正式生效被延迟至当前计数周期结束。当触发**更新事件（UEV）**时，硬件自动将预装载寄存器中的内容拷贝至影子寄存器。
  • 波形连续性：该机制确保了比较阈值的切换始终发生在周期的起始边界，有效规避了因中途修改而可能产生的非法窄脉冲或电平闪变，保证了 PWM 信号在动态调节过程中的完整性与相位一致性。

4.4 PWM引脚重映射(Remap)

​​​​​​​​​​​​​​在实际的项目开发中，GPIO 引脚冲突是常见问题，同一个引脚常被多个外设功能争抢使用。以 TIM2 的通道 1（CH1）为例，其默认输出引脚为 PA0，但 PA0 同时也常被用作串口通信或 ADC 采集引脚。为了解决这种硬件资源冲突，STM32 提供了 **引脚重映射（Remap）**功能。

​​​​​​​​​​​​​​通过 **AFIO（Alternate Function I/O，复用功能 I/O）**模块，我们可以将外设的特定功能从默认引脚转移到备用引脚上。本节将以 TIM2_CH1 从 PA0 重映射到 PA15 为例，详细拆解重映射的配置逻辑与实现步骤。

4.4.1 映射方案选择与引脚分析

​​​​​​​​​​​​​​首先，我们需要查阅芯片手册，确认 TIM2 支持哪些重映射方案。在 STM32F103C8T6 中，TIM2 的 4 个通道支持以下映射方式：

映射方式 CH1 引脚 CH2 引脚 CH3 引脚 CH4 引脚
无重映射（默认） PA0 PA1 PA2 PA3
部分重映射 1 PA15 PB3 PA2 PA3
部分重映射 2 PA0 PA1 PB10 PB11
完全重映射 PA15 PB3 PB10 PB11

​​​​​​​​​​​​​​从上表可知，若要将 TIM2_CH1 转移到 PA15，必须选择部分重映射 1 或完全重映射。

​​​​​​​​​​​​​​接着，我们需要对比源引脚（PA0）与目标引脚（PA15）的硬件属性：

引脚号 引脚名称 类型 I/O 电平 主功能 (复位后默认) 默认复用功能 重定义功能 (Remap)
10 PA0-WKUP I/O - PA0 (普通 IO) WKUP、 USART2_CTS 、 ADC12_IN0、TIM2_CH1_ETR -
38 PA15 I/O FT JTDI (调试接口) - TIM2_CH1_ETR、 PA15、 SPI1_NSS

4.4.2 资源冲突深度解析：PA15 与 JTAG

​​​​​​​​​​​​​​根据引脚属性表，PA15 存在一个极易踩坑的关键问题：它与 JTAG 调试接口存在功能冲突。

​​​​​​​​​​​​​​在 STM32 复位后，PA15 的默认主功能并非普通 GPIO，而是 JTAG 调试接口的 JTDI 信号。在硬件电路上，调试接口的优先级高于普通复用外设。若未经特殊配置，直接将 PA15 初始化为 PWM 输出通道，引脚电平将受控于调试模块，PWM 波形无法正常输出。

​​​​​​​​​​​​​​为释放 PA15 的控制权，必须调整调试端口的配置。核心操作准则如下：

  • 禁用 JTAG 功能：通过配置 AFIO 寄存器，关闭 JTAG 调试接口，释放 PA15、PB3、PB4 等引脚。
  • 保留 SWD 功能：在禁用 JTAG 的同时，务必确保 SWD（Serial Wire Debug）接口（PA13/JTMS, PA14/JTCK）保持使能状态，以保证后续程序下载与调试不受影响。

4.4.3 重映射配置步骤

​​​​​​​​​​​​​​基于以上分析，配置引脚重映射需要比标准 PWM 初始化多出三个关键步骤：

（1）开启 AFIO 时钟

​​​​​​​​​​​​​​重映射功能由 AFIO 模块管理。在配置任何重映射寄存器之前，必须先使能其时钟。

cpp 复制代码 
// 开启 AFIO 时钟（重映射的前提条件）
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

（2）配置引脚重映射方式

​​​​​​​​​​​​​​调用库函数选择对应的重映射模式。

cpp 复制代码 
// 选择 TIM2 的部分重映射 1 方式 (CH1 从 PA0 转移到 PA15)
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2, ENABLE);

（3）处理调试端口复用冲突

​​​​​​​​​​​​​​精确禁用 JTAG 释放目标引脚。

cpp 复制代码 
// 禁用 JTAG 功能，保留 SWD 功能，释放 PA15 为普通 IO
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);

4.4.4 完整代码示例

​​​​​​​​​​​​​​结合标准 PWM 的初始化流程，将 TIM2_CH1 重映射到 PA15 的完整代码如下：

cpp 复制代码 
void PWM_Remap_Init(void)
{
    /* 1. 开启时钟 (增加 AFIO 时钟) */
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); // ❗重映射必须开启 AFIO
    
    /* 2. 配置重映射 & 解除调试端口占用 */
    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2, ENABLE);     // 部分重映射1: CH1 -> PA15
    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);  // ❗关闭 JTAG，保留 SWD，释放 PA15
    
    /* 3. 配置 GPIO (注意改为 PA15) */
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_15;       // 目标引脚改为 PA15
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  // 必须为复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    /* 4. 时基单元与输出比较配置 (与普通配置完全一致) */
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    // ... [省略常规的 PSC、ARR 配置代码] ...
    
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    // ... [省略常规的 PWM 模式、CCR 配置代码] ...
    TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);         // 依然使用通道 1 的初始化函数
    
    /* 5. 启动定时器 */
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

4.4.5 配置要点与排错指南

​​​​​​​​​​​​​​重映射过程的细节较多，稍有不慎即会导致配置失效。以下是核心步骤的总结与排错清单：

步骤 关键操作代码 核心目的与注意事项
1. AFIO 时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(...,AFIO,ENABLE) 必须开启，否则后续重映射指令无效。
2. 重映射方式 GPIO_PartialRemap1_TIM2 根据需求查表选择，确保映射逻辑正确。
3. 调试端口释放 GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable 禁用 JTAG 释放 PA15，保留 SWD 保证烧录。
4. GPIO 初始化 改为 GPIO_Pin_15 引脚号必须与重映射后的物理引脚对应。
5. 通道配置 TIM_OC1Init 无论引脚如何变化，逻辑上仍属于 TIM2 的 CH1。

警告：谨防芯片"变砖"

​​​​​​​​​​​​​​在处理调试端口释放时，千万不要使用 GPIO_Remap_SWJ_Disable 参数。该参数会同时彻底禁用 SWD 和 JTAG 接口。一旦执行，后续将无法通过 ST-Link 或 J-Link 下载程序（俗称锁死变砖），只能通过 BOOT0 切换启动模式使用串口 ISP 工具强行擦除芯片来恢复。

5 相关元器件简介

5.1 SG90 9g 舵机（伺服电机）

​​​​​​​​​​​​​​在机器人开发、航模控制及各类自动化项目中，SG90 9g 舵机是一种应用极广的小型执行机构。无论是机械臂关节的运动定位，还是遥控模型的转向控制，均依赖于这种精密组件来实现。实物如图所示：

5.1.1 简介

​​​​​​​​​​​​​​舵机（Servo Motor） ，严格意义上称为位置伺服电机。与通电后持续旋转的常规直流电机不同，舵机的核心特性在于精确的角度定位。它的输出轴通常被限制在一个固定的物理角度范围内（例如 0°~180°），并能够根据接收到的控制信号，精准旋转并悬停在范围内的任意指定角度上。

​​​​​​​​​​​​​​从硬件接口上看，SG90 通常引出三根线，其功能定义如下表所示：

线色（常见） 接口定义 连接说明
棕色 GND 接系统电源负极（必须与控制板共地）
红色 VCC 接电源正极（SG90 通常需使用 5V 独立供电）
橙色 Signal 信号线，接收来自单片机的 PWM 控制信号

5.1.2 内部闭环控制原理

​​​​​​​​​​​​​​舵机实现精准角度锁定的基础，在于其内部构建的微型闭环控制系统。SG90 的硬件架构主要由微型直流电机、减速齿轮组、控制芯片及电位器（位置传感器）构成。如图所示：

​​​​​​​​​​​​​​其完整控制环路如下：

  1. 指令接收：单片机通过信号线输入特定脉宽的 PWM 信号，该信号脉宽代表目标预期角度。
  2. 误差计算：控制芯片内部的基准电路将接收到的 PWM 信号转化为目标参考电压；同时，实时读取与输出轴同轴转动的电位器电压，该电压代表当前实际角度。
  3. 驱动执行：控制芯片对目标电压与实际电压进行比较运算，产生电压差。电压差的正负号决定电机的旋转方向，电压差的大小影响旋转速度。
  4. 稳定定位：电机旋转时，通过减速齿轮组带动输出轴和电位器同步转动。当实际角度逼近目标角度时，电压差趋于零，电机随之停转，输出轴即稳定保持在指定位置。

5.1.3 PWM 控制协议与角度映射

​​​​​​​​​​​​​​为了实现对舵机的精确控制，必须向其信号线输入符合特定时序规范的 PWM（脉冲宽度调制）信号。对于 SG90，其标准控制协议需满足以下要求：

  • 信号周期：20ms（对应 PWM 频率为 50Hz）。
  • 有效脉宽：高电平的持续时间被严格限制在 0.5ms~2.5ms 之间。

​​​​​​​​​​​​​​此微秒级的高电平脉宽，与舵机的旋转角度呈现严格的线性映射关系。以标准 180° 舵机为例，其对应关系如下：

高电平持续时间 对应角度（0°~180° 标定） 对应角度（-90°~+90° 标定）
0.5ms 0° -90°
1.0ms 45° -45°
1.5ms 90° （中位） 0°
2.0ms 135° +45°
2.5ms 180° +90°

​​​​​​​​​​​​​​例如：高电平持续时间1.0ms + 标准 180° 舵机。

注意：除了180°舵机外，还有360°连续旋转舵机。此类舵机移除了内部的电位器反馈机制，无法实现角度定位。其 PWM 信号（1.5ms 此时为停止阈值）仅能控制电机的旋转方向和速度。在系统设计与采购时需严格区分。

5.1.4 基于 STM32 的 PWM 参数计算

​​​​​​​​​​​​​​在明确控制协议后，需将理论参数转化为微控制器的硬件寄存器配置。以主频为 72MHz 的 STM32 为例，需合理配置定时器的预分频器（PSC）和自动重装载值（ARR），以生成周期为 20ms （50Hz）的PWM信号。

1. 确定 ARR 与 PSC ：

​​​​​​​​​​​​​​为保证角度调节的平滑度，需提供较高的计数分辨率。设定 ARR 为 19999（即计数 20000 次构成一个完整周期）：

​​​​​​​​​​​​​​将 ARR = 19999 代入上述公式，解得：

2. 计算 CCR：

​​​​​​​​​​​​​​在上述配置下，定时器单次计数耗时为 1us，分辨率为 0.005%。随后根据高电平要求的持续时间，计算捕获/比较寄存器（CCR）的配置值值：

  • 0.5ms（起点）：
  • 2.5ms（终点）：

结论：在代码初始化配置 PSC=71，ARR=19999 后，通过调用 TIM_SetCompareX(TIMx, CCR) 函数，使 CCR 的值在 500~2500 之间线性变化，即可实现舵机 0°~180° 的平滑与精确控制。​​​​​​​​​​​​​​

5.1.5 角度与 CCR 值的线性转换逻辑

为了实现对舵机输出轴角度的精确控制，必须在目标角度 Angle 与定时器捕获/比较寄存器数值 CCR 之间建立明确的数学映射关系。本节将说明驱动函数中舵机角度设置接口的角度-CCR线性转换原理。

cpp 复制代码 
/**
  * 函    数：舵机设置角度
  * 参    数：Angle 要设置的舵机角度，范围：0~180
  * 返 回 值：无
  */
void Servo_SetAngle(float Angle)
{
	PWM_SetCompare2(Angle / 180 * 2000 + 500);	//设置占空比
												//将角度线性变换，对应到舵机要求的占空比范围上
}

针对 SG90 舵机，控制协议规定 0.5ms 至 2.5ms 的脉宽对应 0° 至 180° 的转角。在定时器配置为 20ms 周期、计数分辨率为 1us（即 ARR=19999）的条件下，对应的 CCR 取值范围为 500 至 2500。

该映射关系表现为标准的一元一次线性方程（Linear Equation）：y = Kx + b。设定自变量为目标角度 x（Angle），因变量为寄存器值 y（CCR），其推导过程如下：

1. 确定坐标点：

已知该线性函数经过以下两个边界坐标点：

  • 起点：(x1, y1) = (0, 500)
  • 终点：(x2, y2) = (180, 2500)

2. 求解斜率 k：

斜率表示单位角度变化所引起的 CCR 数值增量：

3. 求解截距 b：

将起点坐标 (0, 500) 代入线性方程 y = kx + b：

4. 建立最终映射方程：

5. 代码实现转换：

在 Servo_SetAngle 函数中，通过表达式 Angle / 180 * 2000 + 500 直接计算目标 CCR 值。该算法确保了在 [0, 180] 连续角度区间内，输出脉宽能够平滑地在 [0.5ms, 2.5ms] 之间线性切换，从而实现伺服系统的精准定位。

5.1.6 进阶探讨：舵机抖动原因与多路控制策略

在实际应用（如多足机器人系统的开发）中，常会遇到舵机抖动的问题。 当供电电压稳定且负载在许可范围内时，此类现象的产生主要源于PWM 控制信号的微小波动。舵机的死区通常在微秒级别（约 2us 左右），若单片机产生的脉宽发生微量抖动，舵机的闭环系统即会不断校正位置，产生高频震颤。

高精度控制策略对比：

  • 现代方案（硬件 PWM 生成）：如上文所述的 STM32 平台，利用片上定时器的硬件比较输出（OC）功能直接生成 PWM。该方法完全依赖底层硬件寄存器运行，不占用 CPU 资源，输出脉宽精度极高，是消除舵机抖动的最佳设计实践。

  • 传统/妥协方案（软件定时器中断模拟） ：在早期的低算力微控制器（如 51 单片机）或硬件 PWM 通道受限的系统中，开发者常利用定时器中断（设定 20ms 周期，中断服务程序中翻转 IO 电平并通过 delay 控制高电平持续时间）或外挂外部计数器芯片（如 8253）来模拟 PWM。尽管该方法能够在引脚资源匮乏时实现多路舵机控制，但受限于软件中断响应固有的时间不确定性（即抖动，Jitter），极易引起脉宽误差积累，进而导致舵机微抖。

因此，在设计具有高精度伺服需求的系统架构时，优先配置并分配硬件定时器的 PWM 通道，是确保系统伺服稳定性的核心原则。

5.2 130电机马达

130型直流电机是一种广泛应用于微型机电系统、消费电子及小型移动机器人领域的执行机构。因其结构精简、控制逻辑直观且具备较高的转速功率比，该型号电机常作为实验平台及工业原型开发中的基础动力单元。实物如图所示：

5.2.1 物理架构与电磁转换机理

130直流电机属于永久磁铁直流有刷电机（PMDC）。其运行遵循安培力定律：当外部直流电压施加于电机引脚时，电流通过内部换向器进入转子绕组。由于转子处于定子永久磁场中，受磁场力作用产生转矩，带动输出轴旋转。

针对直流电机的运动状态控制，通常分为速度调节与方向切换两个维度：

  • 速度调节（Speed Regulation）

电机的旋转速度与其引脚两端的平均输入电压成正比。在嵌入式开发中，基于脉冲宽度调制（PWM）技术，通过改变信号的占空比（Duty Cycle）来实现等效平均电压的调节。

其中， 为等效输出电压， 为电源电压。

  • 方向控制（Direction Control）

电机的转向取决于输入电流的极性。改变施加于引脚两端电压的正负极性，即可通过改变转子磁场方向实现输出轴的正向或反向旋转。

5.2.2 机电特性参数分析

在进行电路驱动设计与系统稳定性评估时，需严格参考 130 型电机的电学参数。以下为典型实验环境下该类电机的额定参数表：

参数名称 典型取值范围 物理意义与工程影响
空载转速 11000 ~ 15000 rpm（转/分钟） 电机在无负载状态下的最高转速
空载电流 60 ~ 100 mA 克服内部摩擦与阻力所需的维持电流
启动/堵转电流 0.7 ~ 1.2 A 电机启动瞬间或负载过重停止时的峰值电流

堵转电流（Stall Current） 是系统设计的核心约束指标。由于电机在静止瞬间或发生堵转时，转子无法切割磁感线产生反电动势（Back-EMF），此时回路阻抗仅由微小的线圈电阻组成，根据欧姆定律，瞬时电流会激增。这一特性决定了单片机的 GPIO 引脚无法直接驱动电机，且电源系统需具备足够的瞬态响应能力。

5.2.3 硬件接口约束与保护逻辑

直流电机作为感性功率器件，其电气特性对逻辑电路具备较强的干扰性与破坏性，因此在硬件接口设计中必须遵循以下准则：

5.2.3.1 功率放大与驱动隔离

单片机（如 STM32）的 GPIO 典型输出电流通常被限制在 20mA 左右，远低于130 电机的工作电流需求。若强行驱动，将导致引脚过载损坏。工程实践中必须引入集成化功率驱动芯片（如 TB6612FNG 或 L298N）。驱动芯片通过 H 桥电路结构实现大电流的输出控制，并完成弱电信号与强电功率的物理/电气隔离。

5.2.3.2 反电动势及其抑制

电机本质上是一个感性负载，根据电磁感应定律，当电机断电或快速换向时，线圈电流的突变（）会产生极高的反向瞬变电压：

此尖峰电压（Spike Voltage） 若反馈至逻辑电路或驱动电路，可能导致半导体元器件发生击穿损坏。为保护系统，必须在驱动电路中配置续流二极管（Flyback Diode）。在 H 桥驱动芯片内部，通常已集成了此类保护二极管，用于在关断瞬间提供泄放路径，消耗感性电势产生的多余能量。

5.2.3.3 电源噪声抑制

电机运行过程中，碳刷换向会产生高频电磁干扰（EMI）。为降低噪声对微控制器系统的影响，通常建议在电机引脚两端并联一颗 0.1uF 的陶瓷电容，并在电机电源输入端配置大容量电解电容，以平滑电流波动并吸收高频干扰信号。

5.3 TB6612FNG电机驱动模块

在嵌入式机电控制系统中，微控制器（MCU）的 GPIO 引脚因电流驱动能力受限，无法直接驱动直流电机等感性负载。TB6612FNG 是一款双通道 MOSFET 型 H 桥驱动芯片，凭借其高效率、低发热量及小型化封装的特性，已成为替代传统 L298N 驱动器的主流工业方案，尤其适用于 130 型等微型直流电机的精密控制。

5.3.1 模块架构与技术优势

TB6612FNG 内部集成了两套完全独立的 H 桥（H-Bridge） 驱动电路。H 桥是一种典型的电路拓扑，通过四个受控开关管的导通与截止组合，实现对感性负载电流方向及大小的控制。其结构如图所示：

相比于基于双极性晶体管（BJT）设计的 L298N，TB6612FNG 采用 功率 MOSFET 作为输出级。其核心技术优势表现在：

  • 低导通电阻：由于 MOSFET 的导通压降远低于 BJT，芯片在额定电流范围内功率损耗极小，转换效率更高，基本无需额外安装散热片。
  • 高开关频率：支持高达 100kHz 的 PWM 输入频率，能够实现平滑的转速控制并有效抑制电机运行时的电磁噪声。
  • 多重保护机制：芯片内置过热保护（Thermal Shutdown）及低电压检测电路，提升了系统的可靠性。

5.3.2 硬件接口与引脚定义

TB6612FNG 模块的引脚分布可分为电源接口、逻辑控制接口与功率输出接口三部分。具体定义如下表所示：

引脚分类 引脚名称 功能描述 工程连接说明
电源接口 VM 电机驱动电源正极 连接外部电源（如电池、稳压模块）的正极，为电机旋转提供能量。电压范围一般为2.5V ~ 12V。
电源接口 VCC 逻辑供电正极 连接 MCU 的 3.3V 或 5V 输出，为内部逻辑电路供电。
电源接口 GND 公共参考地 连接电源负极，必须与单片机系统实现共地。
逻辑输入 AIN1 / AIN2 A 路方向控制 连接 MCU 的 GPIO 引脚。通过电平组合控制 A 路电机转向。
逻辑输入 BIN1 / BIN2 B 路方向控制 功能同 A 路，用于控制 B 路电机。
逻辑输入 PWMA / PWMB 调速控制引脚 连接 MCU 的 PWM 输出引脚。通过调节占空比改变平均电压，实现调速。
逻辑输入 STBY 待机控制 高电平时芯片正常工作；低电平时进入低功耗模式，输出关闭。
功率输出 AO1 / AO2 A 路功率输出 直接连接至 A 路电机的两个输入端。
功率输出 BO1 / BO2 B 路功率输出 直接连接至 B 路电机的两个输入端。

5.3.3 控制逻辑真值表与状态解析

TB6612FNG 的逻辑控制具有高度的确定性。以 A 通道为例，其输出状态由 STBY、AIN1、AIN2 以及 PWMA 四个信号共同决定，如图所示：

TB6612FNG 控制逻辑真值表：

STBY AIN1 AIN2 PWMA 输出状态 (AO1, AO2) 电机运动状态解析
0 X X X 高阻态 (Hi-Z) 待机模式：所有输出关闭，进入节能状态。
1 1 0 PWM 正转：转速由 PWM 信号的占空比决定。
1 0 1 PWM 反转：转速由 PWM 信号的占空比决定。
1 1 1 X 低电平 (Low) 短接制动（Brake）：电机绕组短路，产生反电动势实现强制刹车。
1 0 0 X 高阻态 (Hi-Z) 停止：电机依靠摩擦力自由滑行至停止。

注 ： 表达的是等效平均电压与占空比之间的正比关系。

  • ：平均电压（Average Voltage）。指在一个周期内，脉冲信号折算后的等效直流电压。
  • ：正比符号。表示左侧变量随右侧变量的线性增加而增加。
  • ：占空比（Duty Cycle）。指在一个脉冲周期内，高电平（有效电平）持续时间占整个周期时间的百分比，数值范围通常为 0\\% \\sim 100\\%（或 0 \\sim 1）。

5.3.4 实现结论与工程建议

TB6612FNG 通过逻辑信号与功率输出的解耦，实现了对直流电机的精密驱动。在实际工程部署中，应注意以下几点：

  • 待机管脚管理：STBY 引脚不可悬空。若无需低功耗控制，可直接将其连接至 VCC；若需受控，则需连接 MCU 引脚并在初始化时置高。
  • PWM 频率选择：虽然芯片支持 100kHz，但过高的频率会增加开关损耗。通常建议将 PWM 频率设定在 10kHz ~ 20kHz 之间，以平衡控制精度与转换效率。
  • 电源去耦：在 VM 接口附近应放置大容量电解电容（如 100uF ~ 470uF），以吸收电机换向产生的感性浪涌电流，确保系统电压的稳定性。

通过对 TB6612FNG 逻辑与电气特性的准确配置，开发者能够实现对直流电机在方向、速度及制动性能上的全方位控制。

6 本章节实验

6.1 PWM驱动LED呼吸灯

6.1.1 实验目标

本实验旨在通过 STM32 定时器的输出比较（Output Compare）功能生成脉冲宽度调制（PWM）波形，驱动 LED 实现呼吸灯效果。实验的核心技术要求包括：

  • 硬件资源配置：掌握 STM32 定时器时基单元、输出比较单元及 GPIO 复用功能的初始化流程。
  • 参数计算与映射：理解 PWM 频率、占空比与硬件寄存器（ARR、PSC、CCR）之间的数学映射关系。
  • 动态占空比调节：实现在程序运行中通过动态修改 CCR 寄存器值来控制输出等效电压。
  • 引脚重映射应用：掌握 AFIO 时钟配置及引脚重映射技术，实现输出通道在不同 GPIO 引脚间的灵活切换。

6.1.2 硬件设计

6.1.3 软件设计

本实验的软件逻辑主要分为 PWM 模块初始化 与占空比动态控制循环两大部分。

1. PWM 模块初始化配置

初始化流程严格遵循硬件时钟树与外设配置协议：

  • 时钟使能：开启 APB1 总线上的 TIM2 时钟以及 APB2 总线上的 GPIOA 时钟。若涉及引脚重映射，需额外开启 AFIO 复用功能时钟。
  • GPIO 模式设置：输出引脚需配置为复用推挽输出（GPIO_Mode_AF_PP），以确保引脚控制权交由定时器外设而非 CPU 数据寄存器。
  • 时基单元初始化：通过设定预分频器（PSC）与自动重装载寄存器（ARR）来确定 PWM 的基准频率。
  • 输出比较单元配置：设定为 PWM 模式 1，配置输出极性为高。初始捕获/比较寄存器（CCR）设为 0，即初始占空比为 0%。

2. 主程序控制算法

主循环通过双重循环结构实现 LED 亮度的平滑过渡。程序不断修改 CCR 寄存器的值，改变 PWM 的高电平持续时间，从而改变 LED 的平均工作电流。每个步进周期辅以微秒级延时，以匹配人眼的视觉暂留特性，最终呈现周期性的呼吸视觉效果。

具体代码如下：

main.c文件：

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "PWM.h"

uint8_t i;			//定义for循环的变量

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	OLED_Init();		//OLED初始化
	PWM_Init();			//PWM初始化
	
	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
		}
	}
}

PWM.c文件：

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

/**
  * 函    数：PWM初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void PWM_Init(void)
{
	/*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
	
	/*GPIO重映射*/
//	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);			//开启AFIO的时钟，重映射必须先开启AFIO的时钟
//	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap1_TIM2, ENABLE);			//将TIM2的引脚部分重映射，具体的映射方案需查看参考手册
//	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);		//将JTAG引脚失能，作为普通GPIO引脚使用
	
	/*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		
	
	/*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
	
	/*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
	
	/*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
	
	/*TIM使能*/
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);			//使能TIM2，定时器开始运行
}

/**
  * 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
}

6.1.4 实验现象

将程序下载至开发板后，连接在PA0（或重映射后的PA15）上的LED会呈现呼吸灯效果：亮度从暗逐渐变亮，再逐渐变暗，如此循环反复。使用示波器测量对应引脚，可观察到频率为1kHz的PWM波形，其占空比在0%至100%之间周期性变化。

6.2 PWM驱动舵机

6.2.1 实验目标

本实验旨在通过STM32的PWM输出功能驱动舵机，实现按键控制舵机旋转至指定角度。通过本实验，您将学习到：

  • 掌握如何根据舵机的控制要求（周期20ms，高电平0.5ms~2.5ms对应-90°~+90°或0°~180°）配置PWM参数（频率、占空比范围）。
  • 学习将角度值线性映射到PWM占空比（CCR值）的方法，使舵机能够精确转动到目标角度。
  • 理解多模块协同编程思想：将PWM底层驱动封装为独立模块，上层应用模块（舵机控制）调用底层接口，实现代码分层与复用。
  • 掌握按键输入检测与消抖处理，结合OLED显示实现人机交互。

6.2.2 硬件设计

6.2.3 软件设计

本实验的软件结构分为三层：底层硬件驱动（PWM、按键）、中间层舵机控制模块、上层应用逻辑（主循环）。各模块分工明确，便于维护和扩展。

1. PWM模块配置（PWM.c）和 按键模块（Key.c）

PWM模块负责输出符合舵机要求的波形，使用TIM2的通道2，引脚为PA1。关键配置如下：

  • 时钟使能：开启TIM2和GPIOA时钟。
  • GPIO初始化 ：将PA1设置为复用推挽输出（GPIO_Mode_AF_PP），由TIM2控制引脚电平。
  • 时基单元：
  • 预分频器PSC = 72 - 1，自动重装值ARR = 20000 - 1。
  • 计算得PWM频率 = 72MHz / (72 × 20000) = 50Hz，周期20ms，符合舵机控制要求。
  • 计数器模式为向上计数。
  • 输出比较：
  • 选择PWM模式1（TIM_OCMode_PWM1），极性高有效（TIM_OCPolarity_High）。
  • 使能输出，初始CCR值设为0。
  • 使用TIM_OC2Init配置通道2。
  • 使能定时器 ：TIM_Cmd启动TIM2。

同时提供PWM_SetCompare2函数，用于运行时修改CCR2的值，从而改变占空比。

按键模块则使用PB1和PB11两个引脚，配置为上拉输入。Key_GetNum函数通过查询方式检测按键按下，包含消抖和松手检测，返回键码（1或2）。本实验中仅使用按键1（PB1）。

2. 舵机控制模块（Servo.c）

舵机模块封装了PWM底层，对外提供简单易用的角度设置接口：

  • Servo_Init：调用PWM_Init初始化PWM。
  • Servo_SetAngle：接收角度参数（0~180°），通过线性映射公式 CCR = Angle / 180 × 2000 + 500 计算出对应的CCR值（500~2500），再调用PWM_SetCompare2设置占空比。该公式实现了角度与脉宽的线性对应：0°→500（0.5ms），180°→2500（2.5ms）。

3. 主程序逻辑（main.c）

  1. 初始化：依次初始化OLED、舵机、按键模块。OLED用于显示当前角度。

  2. 显示静态字符串：在OLED第一行显示"Angle:"提示。

  3. 主循环：

  • 调用Key_GetNum获取按键状态。
  • 若按键1按下，角度变量Angle自增30°，超过180°则归零。
  • 调用Servo_SetAngle将当前角度写入舵机，驱动舵机旋转。
  • 更新OLED显示角度值，便于观察。

程序通过简单的按键触发和角度映射，实现了舵机的步进控制，展示了PWM在电机控制中的典型应用。

具体代码如下：

main.c文件：

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Servo.h"
#include "Key.h"

uint8_t KeyNum;			//定义用于接收键码的变量
float Angle;			//定义角度变量

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	OLED_Init();		//OLED初始化
	Servo_Init();		//舵机初始化
	Key_Init();			//按键初始化
	
	/*显示静态字符串*/
	OLED_ShowString(1, 1, "Angle:");	//1行1列显示字符串Angle:
	
	while (1)
	{
		KeyNum = Key_GetNum();			//获取按键键码
		if (KeyNum == 1)				//按键1按下
		{
			Angle += 30;				//角度变量自增30
			if (Angle > 180)			//角度变量超过180后
			{
				Angle = 0;				//角度变量归零
			}
		}
		Servo_SetAngle(Angle);			//设置舵机的角度为角度变量
		OLED_ShowNum(1, 7, Angle, 3);	//OLED显示角度变量
	}
}

PWM.c文件：

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

/**
  * 函    数：PWM初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void PWM_Init(void)
{
	/*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
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);							//将PA1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
	
	/*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
	
	/*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 = 20000 - 1;				//计数周期，即ARR的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 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
	
	/*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_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);                        //将结构体变量交给TIM_OC2Init，配置TIM2的输出比较通道2
	
	/*TIM使能*/
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);			//使能TIM2，定时器开始运行
}

/**
  * 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_SetCompare2(uint16_t Compare)
{
	TIM_SetCompare2(TIM2, Compare);		//设置CCR2的值
}

Servo.c文件：

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "PWM.h"

/**
  * 函    数：舵机初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void Servo_Init(void)
{
	PWM_Init();									//初始化舵机的底层PWM
}

/**
  * 函    数：舵机设置角度
  * 参    数：Angle 要设置的舵机角度，范围：0~180
  * 返 回 值：无
  */
void Servo_SetAngle(float Angle)
{
	PWM_SetCompare2(Angle / 180 * 2000 + 500);	//设置占空比
												//将角度线性变换，对应到舵机要求的占空比范围上
}

Key.c文件：

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"

/**
  * 函    数：按键初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void Key_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);		//开启GPIOB的时钟
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);						//将PB1和PB11引脚初始化为上拉输入
}

/**
  * 函    数：按键获取键码
  * 参    数：无
  * 返 回 值：按下按键的键码值，范围：0~2，返回0代表没有按键按下
  * 注意事项：此函数是阻塞式操作，当按键按住不放时，函数会卡住，直到按键松手
  */
uint8_t Key_GetNum(void)
{
	uint8_t KeyNum = 0;		//定义变量，默认键码值为0
	
	if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0)			//读PB1输入寄存器的状态，如果为0，则代表按键1按下
	{
		Delay_ms(20);											//延时消抖
		while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0);	//等待按键松手
		Delay_ms(20);											//延时消抖
		KeyNum = 1;												//置键码为1
	}
	
	if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0)			//读PB11输入寄存器的状态，如果为0，则代表按键2按下
	{
		Delay_ms(20);											//延时消抖
		while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0);	//等待按键松手
		Delay_ms(20);											//延时消抖
		KeyNum = 2;												//置键码为2
	}
	
	return KeyNum;			//返回键码值，如果没有按键按下，所有if都不成立，则键码为默认值0
}

6.2.4 实验现象

下载程序后，OLED屏幕显示"Angle:0"。按下连接在PB1上的按键，舵机输出轴会旋转30°，OLED显示的角度值同步增加30°。每按一次按键，角度增加30°，依次为30°、60°、90°、120°、150°、180°，再次按键角度归零，舵机回到0°位置。

使用示波器测量PA1引脚，可观察到周期为20ms的PWM波形，高电平时间随角度变化在0.5ms~2.5ms之间步进。

6.3 PWM驱动直流电机

6.3.1 实验目标

本实验旨在通过STM32的PWM输出功能配合电机驱动芯片（TB6612）控制直流电机的转速和方向，实现按键步进调速与正反转切换。通过本实验，将学习到：

  • 掌握直流电机驱动的基本原理：通过H桥电路控制电机正反转，通过PWM占空比调节转速。
  • 学习如何将PWM模块与GPIO方向控制相结合，封装出简洁的电机控制接口（速度值-100~100）。
  • 理解PWM频率对电机运行的影响，学会选择合适频率以避免可闻噪音（本实验选择20kHz）。
  • 进一步熟悉模块化编程思想，将底层PWM、按键、OLED与电机控制逻辑分层实现。

6.3.2 硬件设计

6.3.3 软件设计

本实验软件由底层PWM驱动、电机控制模块、按键模块和主程序组成。电机模块封装了方向控制和速度设置，对外提供直观的带符号速度接口。

1. PWM模块配置（PWM.c）

PWM模块使用TIM2的通道3，引脚为PA2，输出20kHz的PWM波形。关键配置如下：

  • 时钟使能：开启TIM2和GPIOA时钟。
  • GPIO初始化 ：PA2设置为复用推挽输出（GPIO_Mode_AF_PP）。
  • 时基单元：预分频器PSC = 36 - 1，自动重装值ARR = 100 - 1，计数器向上计数。PWM频率 = 72MHz / (36 × 100) = 20kHz，高于人耳听觉上限，避免电机产生可闻噪音。
  • 输出比较 ：配置为PWM模式1，极性高有效，初始CCR=0，使能输出，使用TIM_OC3Init配置通道3。
  • 使能定时器：启动TIM2。

同时提供PWM_SetCompare3函数，用于运行时修改CCR3值，控制占空比（0~100）。

2. 电机控制模块（Motor.c）

电机模块管理两个部分：直流电机初始化和设置速度。

  • 直流电机初始化：
  • 开启GPIOA时钟。
  • 将PA4、PA5配置为推挽输出（GPIO_Mode_Out_PP），用于控制TB6612的AIN1、AIN2引脚。
  • 调用PWM_Init初始化PWM。
  • 速度设置函数 Motor_SetSpeed(int8_t Speed)：
  • 输入参数Speed范围-100~100，正值表示正转，负值表示反转。
  • 根据Speed符号设置方向引脚：正转：PA4高电平，PA5低电平。反转：PA4低电平，PA5高电平。
  • 调用PWM_SetCompare3设置PWM占空比：正转时直接传入Speed，反转时传入-Speed（因为PWM值需为正数）。
  • 这种设计实现了用单一有符号变量同时控制方向和转速。

3. 按键模块（Key.c）

与舵机实验相同，使用PB1和PB11两个上拉输入按键。Key_GetNum返回键码，本实验仅使用按键1（PB1）。

4. 主程序逻辑（main.c）

  1. 初始化：OLED、电机模块、按键模块依次初始化。
  2. 显示静态字符串：在OLED第一行显示"Speed:"。
  3. 主循环:
  • 调用Key_GetNum获取按键状态。
  • 若按键1按下，速度变量Speed增加20；若超过100，则跳转至-100（实现正反转循环切换）。
  • 调用Motor_SetSpeed将当前速度写入电机。
  • 更新OLED显示当前速度值（带符号，三位数）。

程序通过按键触发速度步进，直观展示了PWM调速和方向控制的效果。

具体代码如下：

main.c文件：

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Motor.h"
#include "Key.h"

uint8_t KeyNum;		//定义用于接收按键键码的变量
int8_t Speed;		//定义速度变量

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	OLED_Init();		//OLED初始化
	Motor_Init();		//直流电机初始化
	Key_Init();			//按键初始化
	
	/*显示静态字符串*/
	OLED_ShowString(1, 1, "Speed:");		//1行1列显示字符串Speed:
	
	while (1)
	{
		KeyNum = Key_GetNum();				//获取按键键码
		if (KeyNum == 1)					//按键1按下
		{
			Speed += 20;					//速度变量自增20
			if (Speed > 100)				//速度变量超过100后
			{
				Speed = -100;				//速度变量变为-100
											//此操作会让电机旋转方向突然改变，可能会因供电不足而导致单片机复位
											//若出现了此现象，则应避免使用这样的操作
			}
		}
		Motor_SetSpeed(Speed);				//设置直流电机的速度为速度变量
		OLED_ShowSignedNum(1, 7, Speed, 3);	//OLED显示速度变量
	}
}

PWM.c文件：

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header

/**
  * 函    数：PWM初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void PWM_Init(void)
{
	/*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
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);							//将PA2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
	
	/*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
	
	/*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 = 36 - 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
	
	/*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_OC3Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);                        //将结构体变量交给TIM_OC3Init，配置TIM2的输出比较通道3
	
	/*TIM使能*/
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);			//使能TIM2，定时器开始运行
}

/**
  * 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_SetCompare3(uint16_t Compare)
{
	TIM_SetCompare3(TIM2, Compare);		//设置CCR3的值
}

Motor.c文件：

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "PWM.h"

/**
  * 函    数：直流电机初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void Motor_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);		//开启GPIOA的时钟
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);						//将PA4和PA5引脚初始化为推挽输出	
	
	PWM_Init();													//初始化直流电机的底层PWM
}

/**
  * 函    数：直流电机设置速度
  * 参    数：Speed 要设置的速度，范围：-100~100
  * 返 回 值：无
  */
void Motor_SetSpeed(int8_t Speed)
{
	if (Speed >= 0)							//如果设置正转的速度值
	{
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);	//PA4置高电平
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);	//PA5置低电平，设置方向为正转
		PWM_SetCompare3(Speed);				//PWM设置为速度值
	}
	else									//否则，即设置反转的速度值
	{
		GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4);	//PA4置低电平
		GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);	//PA5置高电平，设置方向为反转
		PWM_SetCompare3(-Speed);			//PWM设置为负的速度值，因为此时速度值为负数，而PWM只能给正数
	}
}

Key.c文件：

cpp 复制代码 
#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"

/**
  * 函    数：按键初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void Key_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);		//开启GPIOB的时钟
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_11;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);						//将PB1和PB11引脚初始化为上拉输入
}

/**
  * 函    数：按键获取键码
  * 参    数：无
  * 返 回 值：按下按键的键码值，范围：0~2，返回0代表没有按键按下
  * 注意事项：此函数是阻塞式操作，当按键按住不放时，函数会卡住，直到按键松手
  */
uint8_t Key_GetNum(void)
{
	uint8_t KeyNum = 0;		//定义变量，默认键码值为0
	
	if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0)			//读PB1输入寄存器的状态，如果为0，则代表按键1按下
	{
		Delay_ms(20);											//延时消抖
		while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0);	//等待按键松手
		Delay_ms(20);											//延时消抖
		KeyNum = 1;												//置键码为1
	}
	
	if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0)			//读PB11输入寄存器的状态，如果为0，则代表按键2按下
	{
		Delay_ms(20);											//延时消抖
		while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_11) == 0);	//等待按键松手
		Delay_ms(20);											//延时消抖
		KeyNum = 2;												//置键码为2
	}
	
	return KeyNum;			//返回键码值，如果没有按键按下，所有if都不成立，则键码为默认值0
}

6.3.4 实验现象

下载程序后，OLED屏幕初始显示"Speed:0"，此时电机处于静止状态。

操作说明：

  1. 每次按下PB1按键，速度值以20为增量逐步增加，依次显示20、40、60、80、100，此时电机正向转速随之提升（正值表示正向旋转，数值大小代表转速快慢）；
  2. 再次按键后速度切换为-100，电机立即以最大速度反向旋转（负值表示反向旋转）；
  3. 继续按键时，速度值依次变为-80、-60、-40、-20，最终归零停止；
  4. OLED屏幕实时更新当前速度值，电机转向与速度值的正负符号保持一致；

技术说明：

  • PWM工作频率为20kHz，确保电机运行时无噪声干扰
  • 注：在堵转情况下可能出现轻微啸叫声，此为正常现象
相关推荐
babe小鑫2 小时前
大专数据可视化技术专业学习数据分析的价值
学习·信息可视化·数据分析
bill_man2 小时前
RHI学习笔记（2）-Qt6的RHI结构
笔记
Non importa2 小时前
二分法：算法新手第三道坎
c语言·c++·笔记·qt·学习·算法·leetcode
山岚的运维笔记2 小时前
SQL Server笔记 -- 第74章：权限或许可 第75章：SQLCMD 第76章：资源调控器
数据库·笔记·sql·microsoft·oracle·sqlserver
舟舟亢亢2 小时前
Redis知识复习笔记（上）
数据库·redis·笔记
一 乐2 小时前
英语学习平台系统|基于springboot + vue英语学习平台系统(源码+数据库+文档)
java·vue.js·spring boot·学习·论文·毕设·英语学习平台系统
2023自学中4 小时前
笔记本电脑 连接 手机WIFI，开发板网线连接笔记本，开发板 和 虚拟机 同时上网
linux·单片机·嵌入式硬件·tcp/ip
宇木灵10 小时前
C语言基础学习-二、运算符
c语言·开发语言·学习
uran10 小时前
从电磁兼容到代码优化：STM32 GPIO速度与EMI的隐秘关联
stm32·gpio·emc·嵌入式优化
热门推荐
01GitHub 镜像站点02如何解决 OpenClaw “Pairing required” 报错：两种官方解决方案详解03Claude Code + GLM4.7 避坑指南：解决 Unable to connect to Anthropic services04AI Agent 平台横评：ZeroClaw vs OpenClaw vs Nanobot05全面体验 Grok API 中转站（2025 · Grok 4 系列最新版）06MIUI显示/隐藏5G开关的方法，信号弱时开启手机Wifi通话方法07openClaw安装飞书插件｜核心踩坑：spawn EINVAL 错误终极解决指南08配置 OpenClaw 使用 Ollama 本地模型09从零搭建一个 PHP 登录注册系统（含完整源码）10Tripo AI：构建游戏就绪的3D资产