【STM32】知识点介绍七：PWM功能

文章目录

• 一、简介
• • 1.PWM基础概念与原理
  • 2.STM32的PWM硬件架构
• 二、库函数
• 三、PWM1和PWM2模式
• 四、pwm调光
• 五、常见问题与解答

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一、简介

1.PWM基础概念与原理

PWM的本质是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。它通过调节占空比（高电平时间占整个周期的比例）来改变输出信号的有效值。

• 频率：信号周期的倒数，决定了PWM波的更新速度
• 占空比：决定输出电压或功率的有效值

占空比变化动图：

假设高电平为5V、低电平则为0V，那么要输出不同的模拟电压就要用到PWM。通过改变IO口输出的方波的占空比，从而获得使用数字信号模拟成的模拟电压信号。

电压是以一种脉冲序列被加到模拟负载上去的，接通时是高电平1，断开时是低电平0。接通时直流供电输出，断开时直流供电断开。通过对接通和断开时间的控制，理论上来讲，可以输出任意不大于最大电压值5V的模拟电压。

比方说，占空比为50%那就是高电平时间一半，低电平时间一半。在一定的频率下，就可以得到模拟的2.5V输出电压。那么75%的占空比，得到的电压就是3.75V，如下图所示。

2.STM32的PWM硬件架构

例如STM32F407作为高性能Cortex-M4内核MCU，其PWM功能完全由定时器外设实现，而非软件模拟。该芯片集成14个定时器，按功能层级划分为三类：

定时器类型	数量	PWM通道数	典型应用场景	关键特性
高级定时器（TIM1/TIM8）	2	各4通道	电机FOC控制、三相逆变	死区插入、互补输出、刹车功能
通用定时器（TIM2-TIM5, TIM9-TIM14）	10	TIM2-TIM5各4通道；TIM9-TIM14各2通道	LED调光、伺服控制、音频生成	独立捕获/比较、编码器接口
基本定时器（TIM6/TIM7）	2	0	简单延时、SysTick替代	仅更新中断

所有支持PWM输出的定时器均基于同一硬件结构：16位自动重装载计数器（ARR）、16位捕获/比较寄存器（CCR）、预分频器（PSC）及输出比较单元。其工作流程如下：

1. 计数器从0开始递增，直至等于ARR值后清零（向上计数模式）
2. 当计数器值等于CCR值时，触发输出电平翻转（取决于极性配置）
3. PSC对APB时钟进行分频，决定计数器基准频率

由此导出两个核心参数的计算公式：

• PWM频率 ：f_pwm = f_apb / [(PSC + 1) × (ARR + 1)]
• 占空比 ：D = (CCR + 1) / (ARR + 1)

若APB1时钟为84 MHz，需生成1 kHz PWM（周期1 ms），则：

PSC = 83 → 计数器时钟 = 84 MHz / 84 = 1 MHz

ARR = 999 → 周期 = 1000 × 1 μs = 1 ms

若需50%占空比，则CCR = 499

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二、库函数

1.GPIO引脚映射

/**
  * @brief  Changes the mapping of the specified pin.
  * @param  GPIOx: where x can be (A..K) to select the GPIO peripheral for STM32F405xx/407xx and STM32F415xx/417xx devices
  *                      x can be (A..I) to select the GPIO peripheral for STM32F42xxx/43xxx devices.
  *                      x can be (A, B, C, D and H) to select the GPIO peripheral for STM32F401xx devices. 
  * @param  GPIO_PinSource: specifies the pin for the Alternate function.
  *         This parameter can be GPIO_PinSourcex where x can be (0..15).
  * @param  GPIO_AFSelection: selects the pin to used as Alternate function.
  *          This parameter can be one of the following values:
.......................................................
  *            @arg GPIO_AF_TIM14: Connect TIM14 pins to AF9
.......................................................
  * @retval None
  */
void GPIO_PinAFConfig(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_PinSource, uint8_t GPIO_AF)

2.定时器通道1配置

/**
 * 通道1:TIM_OC1Init
 * 通道2:TIM_OC2Init
 * 通道3:TIM_OC3Init
 * 通道4:TIM_OC4Init
*/

/**
  * @brief  Initializes the TIMx Channel1 according to the specified parameters in
  *         the TIM_OCInitStruct.
  * @param  TIMx: where x can be 1 to 14 except 6 and 7, to select the TIM peripheral.
  * @param  TIM_OCInitStruct: pointer to a TIM_OCInitTypeDef structure that contains
  *         the configuration information for the specified TIM peripheral.
  * @retval None
  */
void TIM_OC1Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct)

3.定时器通道1比较值

/**
 * 通道1:TIM_SetCompare1
 * 通道2:TIM_SetCompare2
 * 通道3:TIM_SetCompare3
 * 通道4:TIM_SetCompare4
 */
 
/**
  * @brief  Sets the TIMx Capture Compare1 Register value
  * @param  TIMx: where x can be 1 to 14 except 6 and 7, to select the TIM peripheral.
  * @param  Compare1: specifies the Capture Compare1 register new value.
  * @retval None
  */
void TIM_SetCompare1(TIM_TypeDef* TIMx, uint32_t Compare1)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_TIM_LIST1_PERIPH(TIMx));

  /* Set the Capture Compare1 Register value */
  TIMx->CCR1 = Compare1;
}

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三、PWM1和PWM2模式

1.PWM模式

PWM模式1：在向上计数时，当 CNT < CCR 时输出有效电平，否则为无效电平。

PWM模式2：与模式1相反，当 CNT < CCR 时输出无效电平。

计数模式：支持向上计数、向下计数和中心对齐模式（用于产生频率相同、相位可调的PWM）。

TIMx_CNT 由TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period决定；TIMx_CCR1由TIM_SetComparex(x:1、2、3、4)函数决定；有效状态由TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity决定；

频率值：由计数值决定

占空比：由比较值决定

要设置的比较值=（TIM_Period+1）*占空比

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四、pwm调光

移动设备调光有两种方式，分别是DC调光与PWM调光，以下是DC调光与PWM调光的描述。

1.DC调光是一种调节亮度的方式

为了让用户在不同光线条件下正常观看手机上的内容，屏幕需要相应地改变亮度。其中一种调节亮度的方式就叫"DC调光"。DC调光的原理非常简单，就是通过提高或降低电路功率来改变屏幕的亮度。功率 ＝ 电压 x 电流，所以改变电压或电流都能改变屏幕亮度。

2.PWM调光是另一种调节亮度的方式

iPhone14的PWM调光频率是480Hz，属于低频PWM。现在市面上的安卓机大多采用高频PWM调光，高于欧盟标准的1200Hz，或者采用类DC调光。

首先，PWM调光是一种常见的屏幕调光方式，其原理是通过快速开关屏幕背光灯的电流来控制亮度。低频PWM调光频率较低，可能会造成屏幕频闪，从而影响用户的视觉体验。而高频PWM调光频率更高，可以有效减少屏幕频闪的问题。因此，一些安卓手机采用高频PWM调光就是为了减少频闪问题。

在PWM调光屏幕上，调节亮度并不靠改变功率，而是靠屏幕的亮、灭交替。PWM调光屏幕点亮时并不是持续发光的，而是在不停地点亮、熄灭屏幕。当亮、灭交替够快时，肉眼就会认为手机一直在亮。

在屏幕亮、灭的过程中，灭屏状态持续时间越长，屏幕给肉眼的观感就是亮度越低。点亮的时间越长，灭屏时间就相应减少，屏幕就会变亮。

亮、灭交替的速度越低，对人眼造成不利影响的可能性就越大。但这并不是绝对的，因为每个人对于"闪烁"的敏感程度不同。比如看同一块PWM屏幕，有人没事，有人就会感到疲劳。如果你属于眼睛十分敏感的那部分人，你可能就需要使用高频PWM调光手机，甚至DC调光手机了。

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五、常见问题与解答

1.PWM占空比的概念？PWM除了占空比还有什么要素？

占空比是指高电平在一个周期内所占的时间比例，通常用百分比表示。除了占空比，PWM的关键要素还包括频率（或周期）和极性。频率决定了信号的刷新速度，极性定义了高电平是有效电平还是无效电平

2.如何在STM32中生成PWM波，以及如何计算其频率和占空比？

• 生成机制：利用定时器的比较输出功能，当计数器（CNT）与比较寄存器（CCR）匹配时，翻转或设置输出电平

3.高级定时器和通用定时器的PWM功能有什么区别？

• 通道数：高级定时器（如TIM1）能产生7路PWM输出（3对互补+1路普通），而通用定时器最多产生4路
• 特殊功能：高级定时器支持互补输出和死区时间插入，这是驱动H桥或三相逆变电路所必需的功能，用于防止上下桥臂直通短路。同时，它还具备刹车功能，能在紧急情况下强制关闭PWM输出，保护电路

4.如何动态修改PWM的占空比和频率？

• 修改占空比：直接修改捕获比较寄存器（CCR）的值。在库函数中通常调用 TIM_SetComparex() (标准库) 或__HAL_TIM_SET_COMPARE()(HAL宏)
• 修改频率：修改自动重装载寄存器（ARR）的值。调用 TIM_SetAutoreload() (标准库) 或 __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD() (HAL宏) 。需要注意，修改ARR时，如果计数器正在计数，可能会立即影响周期，通常需要配合预装载功能，在更新事件发生时再统一生效

5.PWM信号产生毛刺（干扰）如何处理？

• 引脚初始化顺序：在配置PWM时，应先配置GPIO为复用模式，再初始化定时器和PWM通道，防止引脚状态不定导致短暂乱序脉冲。
• 预装载功能：使能CCR和ARR的预装载功能（Preload），确保占空比和周期的变化在定时器更新事件时同步生效，避免在计数过程中修改导致不完整的脉冲
• 硬件滤波：在软件层面，可以在PWM输出引脚添加RC滤波电路。在硬件设计上，注意电源去耦和PCB布局，减少信号串扰。

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