STM32教程(六):使用标准库函数实现定时器PWM呼吸灯效果

前言

上一篇文章已经介绍了如何用STM32单片机中的TIMER定时器来控制LED灯的交替闪烁,实现了点灯的第五种方式。这篇文章我们来介绍一下如何用STM32单片机中的定时器的PWM波来实现LED的“呼吸”。

一、实验原理

关于定时器这边就不多加赘述,详细请看上一篇文章,链接放在下面了

STM32(五):TIMER定时器 (标准库函数)

这边我们介绍一下PWM

1.PWM的介绍

PWM的全称是脉冲宽度调制(Pulse-width modulation),是指在具有惯性的系统中,可以通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效的地获得所需要的模拟参量,常应用于电机控速等领域。在STM32微控制器的应用中,PWM技术也非常重要,因为它能够提供精确的信号控制,从而达到对设备行为的精确管理。

  • 频率:一秒钟内从高电平时间在到低电平时间,再从低电平跳到高电平的瞬间次数,也就是一秒钟内有多少个PWM的周期,f = 1/Ts。
  • 周期:一秒钟内从高电平时间在到低电平时间,Ts= 1/f。
  • PWM信号产生:用于控制电机速度、灯光亮度等。
  • 占空比:一个周期内高电平时间和总时间的比值,Ton/Ts。
  • 分辨率:占空比变化步距。
  • 2.PWM参数计算公式

    PWM主要参数计算公式如下所示:

  • PWM频率 Freq=CK_PSC/[(PSC+1) (ARR+1)], CK_PSC=72M
  • PWM占空比=CCR/(ARR+1)
  • PWM分辨率=1/(ARR+1)
  • 3.PWM工作原理

    以下是PWM输入模式时序的工作原理图,以下对其符号进行简单的解释说明

    1. T1:PWM信号的波形,显示了信号的高电平和低电平状态。
    2. TIMx_CNT :定时器的计数器(Counter),它的值会在定时器时钟的脉冲下从0开始增加,直到达到自动重载寄存器(ARR)的值后归零,循环开始新的周期。
    3. TIMx_CCR1TIMx_CCR2 :捕捉/比较寄存器(Capture/Compare Register),用于设置PWM的高电平宽度。它们的值决定了在计数器达到这些值时输出比较匹配事件,影响PWM输出信号的占空比。
  • TIMx_CCR1 设置为 0004,代表在计数器计数到4时,第一个通道的PWM输出从高电平跳变到低电平。
  • TIMx_CCR2 设置为 0002,代表在计数器计数到2时,第二个通道的PWM输出从高电平跳变到低电平。
  •  接下来简单介绍一下PWM信号的一个典型的边缘对齐模式,

  • ARR = 8:设置了定时器的计数上限,决定了PWM周期的长度,计数器会从0计数到8,然后重置为0,开始新的周期。
  • CCRx = 4:决定了PWM信号从高电平变为低电平的切换点,当计数器计数到4时,输出信号从高电平切换到低电平。
  • 红线(有效电平):PWM输出从高电平切换到低电平的时刻,即在计数器值等于CCR值时,输出发生变化。
  • 蓝线(无效电平):PWM输出在一个完整的周期结束时仍然是低电平。
  • CCxIF:捕捉/比较中断标志,当定时器的计数器值与CCR寄存器的预设值相匹配时,该标志被设置。

  • OCxREF:输出比较引用信号,通常与PWM的实际输出相对应,反映了PWM信号的状态更改。

  • 二、实验步骤

    1.引脚设置

    这边在h文件的宏定义中定义即可

    static void GENERAL_TIMx_GPIO_Config(void) 
    {
      GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    	/* 使能定时器始终:设置TIM3CLK 为 72MHZ */
    	GENERAL_TIM_APBxClock_FUN (GENERAL_TIM_CLK, ENABLE);
    
      /* 使能定时器通道引脚GPIO时钟 */
      GENERAL_TIM_GPIO_APBxClock_FUN(GENERAL_TIM_GPIO_CLK1|GENERAL_TIM_GPIO_CLK1, ENABLE); 
    
      /* 配置定时器通道3输出引脚模式:复用推挽输出模式 */
      GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GENERAL_TIM_PIN1;
      GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
      GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
      GPIO_Init(GENERAL_TIM_PORT1, &GPIO_InitStructure);
    }

    2.时钟中断

    时钟中断函数void NVIC_Config_PWM(void),这边是对中断来源以及优先级的配置,前面在Systick中有所介绍,可以看一下之前的连接:STM32(四):Systick (标准库函数)-CSDN博客

    static void NVIC_Config_PWM(void)
    {
      NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
      /* 选择中断优先级配置组为2个抢占式优先级和2个子优先级,可以参考misc.h文件了解相关设置 */
      NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
      /* 配置TIM3_IRQ中断为中断源 */
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = GENERAL_TIMx_IRQn;
    	/* 设置抢占式优先级为0 */
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    	/* 设置子优先级为3 */
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;
    	/* 使能外部中断通道 */
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
      NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    }
    

    但到这里我们的中断配置还没结束!!重点!!易踩坑!!

    我们还需要在stm32f10x_it.c的文件里面加上新的中断服务函数 GENERAL_TIMx_IRQHandler (),记得加上头文件,例如:

    #include "bsp/GeneralTIM/bsp_GeneralTIM.h"
    extern uint8_t indexWave[];
    
    void GENERAL_TIMx_IRQHandler(void)
    {	
    	static uint8_t pwm_index = 0;			/* 用于PWM查表 */
    	static uint8_t period_cnt = 0;		/* 用于计算周期数 */
    	
      /* 定时器更新中断 */
    	if (TIM_GetITStatus(GENERAL_TIMx, TIM_IT_Update) != RESET)	
     	{			
        period_cnt++;
        /* 若输出的周期数大于20,输出下一种脉冲宽的PWM波 */
        if(period_cnt >= 20)										
        {
          /* 根据PWM表修改定时器的比较寄存器值 */
          GENERAL_TIMx->GENERAL_TIM_CCRx = indexWave[pwm_index];	
    		 
          /* 标志PWM表的下一个元素 */
          pwm_index++;												
          /* 若PWM脉冲表已经输出完成一遍,重置PWM查表标志 */
          if( pwm_index >=  40)								
          {
            pwm_index=0;								
          }
          /* 重置周期计数标志 */
          period_cnt=0;												
    		}
        /* 必须要清除中断标志位 */
    		TIM_ClearITPendingBit (GENERAL_TIMx, TIM_IT_Update);	
    	}
    }

    3.定时器配置

    定时周期和预分频需要根据实际需要进行调整,而这边TIM_Pulse=0是因为我们给了一个脉冲配置的数组indexWave[],若不用,调整这个大小会改变“呼吸”的速率。

    static void GENERAL_TIMx_Configuration(void)
    {
      TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    	TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
    		 
      /* 当定时器从0计数到255,即为256次,为一个定时周期 */
      TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 255; 
      /* 设置预分频:不预分频,即为72MHz,输出脉冲频率:72MHz/(1999+1)/(255+1) */
      TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 1999;
      /* 设置时钟分频系数:不分频(这里用不到) */
      TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1 ;
      /* 向上计数模式 */
      TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
      TIM_TimeBaseInit(GENERAL_TIMx, &TIM_TimeBaseStructure);
    
      /* 模式配置:PWM模式1 */
      TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
      /* 输出状态设置:使能输出 */
      TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;	
      /* 设置跳变值,当计数器计数到这个值时,电平发生跳变 */
      TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
      
      /* 当定时器计数值小于CCR1_Val时为低电平 */
      TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
      /* 初始化定时器通道1输出PWM */
      GENERAL_TIM_OCxInit(GENERAL_TIMx, &TIM_OCInitStructure);
      /* 定时器比较输出通道1预装载配置:使能预装载 */
      GENERAL_TIM_OCxPreloadConfig(GENERAL_TIMx, TIM_OCPreload_Enable);  
      /* 使能定时器重载寄存器ARR */
      TIM_ARRPreloadConfig(GENERAL_TIMx, ENABLE);
      /* 使能定时器 */
      TIM_Cmd(GENERAL_TIMx, ENABLE);  
      /* 配置NVIC */
      NVIC_Config_PWM();
      /* 定时器更新中断 */
      TIM_ITConfig(GENERAL_TIMx, TIM_IT_Update, ENABLE);
    								
    }
    

    4.PWM信号初始化

    
    void GENERAL_TIMx_PWM_Init(void)
    {
    	GENERAL_TIMx_GPIO_Config();
    	GENERAL_TIMx_Configuration();	
    }
    

    三、实操代码

    程序分为3个文件:bsp_GeneralTIM.c、bsp_GeneralTIM.h、main.c

    1.bsp_GeneralTIM.c

    #include "bsp/GeneralTIM/bsp_GeneralTIM.h" 
    uint8_t indexWave[] = {1,1,2,2,3,4,6,8,10,14,19,25,33,44,59,80,107,143,191,255,
                           255,191,143,107,80,59,44,33,25,19,14,10,8,6,4,3,2,2,1,1};
    
    /**
      * 函数功能: 配置TIMx复用输出PWM时用到的I/O
      */
    static void GENERAL_TIMx_GPIO_Config(void) 
    {
      GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    	/* 使能定时器始终:设置TIM3CLK 为 72MHZ */
    	GENERAL_TIM_APBxClock_FUN (GENERAL_TIM_CLK, ENABLE);
    
      /* 使能定时器通道引脚GPIO时钟 */
      GENERAL_TIM_GPIO_APBxClock_FUN(GENERAL_TIM_GPIO_CLK1|GENERAL_TIM_GPIO_CLK1, ENABLE); 
    
      /* 配置定时器通道3输出引脚模式:复用推挽输出模式 */
      GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GENERAL_TIM_PIN1;
      GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
      GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
      GPIO_Init(GENERAL_TIM_PORT1, &GPIO_InitStructure);
    	
    }
    
    /**
      * 函数功能: 配置嵌套向量中断控制器NVIC
      */
    static void NVIC_Config_PWM(void)
    {
      NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
      /* 选择中断优先级配置组为2个抢占式优先级和2个子优先级,可以参考misc.h文件了解相关设置 */
      NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
      /* 配置TIM3_IRQ中断为中断源 */
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = GENERAL_TIMx_IRQn;
    	/* 设置抢占式优先级为0 */
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    	/* 设置子优先级为3 */
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;
    	/* 使能外部中断通道 */
      NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
      NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    }
    
    /**
      * 函数功能: 配置TIMx输出的PWM信号的模式,如周期、极性、占空比
      */
    
    static void GENERAL_TIMx_Configuration(void)
    {
      TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    	TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
    
      /* 定时器基本参数始终 */		 
      /* 当定时器从0计数到255,即为256次,为一个定时周期 */
      TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 255; 
      /* 设置预分频:不预分频,即为72MHz,输出脉冲频率:72MHz/(1999+1)/(255+1) */
      TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 1999;
      /* 设置时钟分频系数:不分频(这里用不到) */
      TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1 ;
      /* 向上计数模式 */
      TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
      TIM_TimeBaseInit(GENERAL_TIMx, &TIM_TimeBaseStructure);
    
      /* 定时器输出通道1模式配置 */
      /* 模式配置:PWM模式1 */
      TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
      /* 输出状态设置:使能输出 */
      TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;	
      /* 设置跳变值,当计数器计数到这个值时,电平发生跳变 */
      TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
      
      /* 当定时器计数值小于CCR1_Val时为低电平 */
      TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
      /* 初始化定时器通道1输出PWM */
      GENERAL_TIM_OCxInit(GENERAL_TIMx, &TIM_OCInitStructure);
      /* 定时器比较输出通道1预装载配置:使能预装载 */
      GENERAL_TIM_OCxPreloadConfig(GENERAL_TIMx, TIM_OCPreload_Enable);  
      /* 使能定时器重载寄存器ARR */
      TIM_ARRPreloadConfig(GENERAL_TIMx, ENABLE);
      /* 使能定时器 */
      TIM_Cmd(GENERAL_TIMx, ENABLE);  
      /* 配置NVIC */
      NVIC_Config_PWM();
      /* 定时器更新中断 */
      TIM_ITConfig(GENERAL_TIMx, TIM_IT_Update, ENABLE);
    								
    }
    
    /**
      * 函数功能: TIMx输出PWM信号初始化
      * 说    明:只要调用这个函数TIMx的通道就会有PWM信号输出
      */
    void GENERAL_TIMx_PWM_Init(void)
    {
    	GENERAL_TIMx_GPIO_Config();
    	GENERAL_TIMx_Configuration();	
    }
    

    2.bsp_GeneralTIM.h

    #ifndef __GENERAL_TIM_H__
    #define __GENERAL_TIM_H__
    
    /* 包含头文件 ----------------------------------------------------------------*/
    #include <stm32f10x.h>
    
    /* 类型定义 ------------------------------------------------------------------*/
    /* 宏定义 --------------------------------------------------------------------*/
    
    #define GENERAL_TIMx                        TIM3
    #define GENERAL_TIM_APBxClock_FUN           RCC_APB1PeriphClockCmd
    #define GENERAL_TIM_CLK                     RCC_APB1Periph_TIM3
    #define GENERAL_TIM_GPIO_APBxClock_FUN      RCC_APB2PeriphClockCmd
    #define GENERAL_TIM_GPIO_CLK1               RCC_APB2Periph_GPIOA
    #define GENERAL_TIM_PORT1                   GPIOA
    #define GENERAL_TIM_PIN1                    GPIO_Pin_11
    #define GENERAL_TIM_OCxInit                 TIM_OC3Init
    #define GENERAL_TIM_OCxPreloadConfig        TIM_OC3PreloadConfig
    #define GENERAL_TIM_CCRx                    CCR3
    #define GENERAL_TIMx_IRQn                   TIM3_IRQn              //中断
    #define GENERAL_TIMx_IRQHandler             TIM3_IRQHandler
    
    
    /* 扩展变量 ------------------------------------------------------------------*/
    /* 函数声明 ------------------------------------------------------------------*/
    
    void GENERAL_TIMx_PWM_Init(void);
    
    #endif	/* __GENERAL_TIM_H__ */
    
    

    3.main.c

    
    /* 包含头文件 ----------------------------------------------------------------*/
    #include "stm32f10x.h"
    #include "bsp/led/bsp_led.h"
    #include "bsp/key/bsp_key.h"
    #include "bsp/delay/delay.h"
    #include "bsp/systick/bsp_SysTick.h"
    #include "bsp/GeneralTIM/bsp_GeneralTIM.h" 
    /* 函数体 --------------------------------------------------------------------*/
    
    /**
      * 函数功能: 主函数.
      */
    int main(void)
    {
    
    /* 初始化定时器PWM输出 */
      GENERAL_TIMx_PWM_Init();  
      while (1)
      {
      //空
        }
    }
    
    
    

    四、实验效果

    呼吸灯

    结束语

    本文以STM32VET6为例讲解了用STM32单片机中用定时器的PWM波来实现LED的“呼吸”,并指出其中的易坑点。希望对大家有所帮助!如果还有什么问题,欢迎评论区留言,谢谢!

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