嵌入式学习——使用定时器输出PWM波形，实现 LED呼吸灯的效果

嵌入式学习——使用定时器输出PWM波形，实现 LED呼吸灯的效果
- 1. 任务要求
- 2 PWM波介绍,
- - 2.1 什么是PWM（Pulse Width Modulation—脉冲宽度调制技术）
  - 2.2 分频-计数时钟
  - 2.3 计数器
  - 2.4 定时器输出PWM原理
  - 2.5 定时器初始化
- 3. 配置STM32CubeMX
- 4. keil5中代码编写
- 5. 运行效果
- 6. 总结

1. 任务要求

使用TIM3和TIM4，分别输出一个PWM波形，PWM的占空比随时间变化，去驱动你外接的一个LED以及最小开发板上已焊接的LED（固定接在 PC13 GPIO端口），实现2个 LED呼吸灯的效果。

这里我使用的是TIM2和TIM4，不知道怎么回事,相同的做法TIM3就是不呼吸，可能玄学吧，所以换了一个定时器。

2 PWM波介绍,

2.1 什么是PWM（Pulse Width Modulation—脉冲宽度调制技术）

在一个周期波形中，高电平占整个周期的比例称之为占空比，而高电平宽度通常被称为脉冲宽度。当我们在控制占空比，从而控制电路导通或者关闭时间，从而控制导通的有效电压。由于这个特性，我们在需要控制LED灯时，经常会看到PWM。

在没有PWM的电路中，我们通常会在电路上加电阻（滑动电阻器），改变LED的电压，控制LED的亮度。但如果有PWM的话，我们就可以直接控制PWM的占空比，控制LED导通时间，从而控制LED的亮度。

1、PWM的频率
指1秒钟内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数（一个周期），也就是说一秒钟PWM有多少个周期。
2、PWM的周期
T = 1 / f，周期 = 1 / 频率
如：50Hz = 20ms一个周期（如果频率为50Hz，也就是说一个周期20ms，那么一秒钟就有50次PWM周期）
3、占空比
是指一个脉冲周期内，高电平的时间与整个周期时间的比例
4、周期
一个脉冲信号的时间，1s内周期次数等于频率
5、脉宽时间
高电平时间，脉宽时间占总周期时间的比例，就是占空比
6、调节PWM
PWM就是通过脉冲宽度调制，通过调节占空比，就可以调节脉冲宽度（脉宽时间），而频率就是单位时间内脉冲信号的次数，频率越大，占空比越大。

在通用定时器框图中可以看到，除了基本的定时（基本定时的作用）功能以外，还支持信号的输入，信号的输出，也多了一个捕捉/比较寄存器。如果我们需要生成PWM波形输出，那么我们就需要用到基本定时器，捕捉/比较寄存器，输出控制。

基本定时用来定时PWM的周期，而捕捉/比较寄存器与基本定时功能中的计数寄存器作比较，如果比计数寄存器小或大，通道极性不同，PWM的模式不同，会输出不同的电平。

2.2 分频-计数时钟

定时器时钟提供较高的频率，计数器不需要这么高的频率来计数，所以会进行降频，使用一个合适的低频时钟来计数。
定时器时钟经过PSC预分频器之后，即CK_CNT，用来驱动计数器计数。PSC是一个16位的预分频器，可以对时钟TIMxCLK进行1~65536之间的任何一个数进行分频。
即：CK_CNT = TIMxCLK / (PSC+1)

比如，使用STM32F4的通用定时器2（TIM2CLK为APB1的时钟的两倍即84MHz），PSC设置为83，则计数时钟为84MHz/(83+1)=1MHz，即1ms计一个数。

2.3 计数器

计数器CNT是一个16位的计数器，只能往上计数，最大数值为65535。当计数达到自动重装载值时产生更新事件，并清零从头开始计数。

2.4 定时器输出PWM原理

假设定时器工作模式设置为向上计数PWM模式，且当CNT<CCRx时，输出1，当CNT>=CCRx时输出0，则：

当CNT值小于CCRx的时候，IO输出高电平（1）
当CNT值大于等于CCRx的时候，IO输出低电平（0）
当 CNT 达到 ARR 值的时候，重新归零，然后重新向上计数，依次循环。

因此，改变CCRx的值，就可以改变PWM输出的占空比，改变ARR的值，就可以改变PWM输出的周期（频率）

2.5 定时器初始化

时基初始化，主要是配置定时器的自动重装值（每次计数的周期，arr）和计数频率（psc），比如TIM3_PWM_Init(500-1,84-1);

这里将arr的值设置为500，即计数器每计够500个数就会重新从0开始计数，这个500再乘以计数器计数的周期，就是PWM真正的周期，那计数器计数的频率是多少呢（频率的倒数为周期）？

这里将psc的值设置为84-1，即TIM3的输入频率为84MHz再将频率降低1/84，即使用1MHz的频率计数（1s能计1,000,000个数，也即1us计1个数），那么PWM的真正周期就是500*1us=500us(0.5ms)，通过改变占空比的值（CCR）,就可以调节PWM的输出占空比。

3. 配置STM32CubeMX

如何新建工程文件请参考此博客：https://blog.csdn.net/qq_66144143/article/details/127309228

新建好之后，打开System core，点击RCC设置为外部时钟源，如图：

然后点击下面的SYS，选择串行通信serial wire，如图：

配置定时器：

打开下面的Timer，然后选择定时器（这里我选择的是TIM2、TIM4）,具体参数如图所示：

这是TIM2的配置，TIM4同TIM2一样。

设置分频系数为71，计数周期为500，其它默认。

设置占空比初始值为10。

然后配置时钟，如图：

最后点击GENRATE CODE生成工程文件即可，参考博客：https://blog.csdn.net/qq_66144143/article/details/127309228

4. keil5中代码编写

打开生成的工程文件，在图中所示位置添加一个变量用来储存占空比，如图:

代码：

uint16_t duty_num = 10;  //定义变量储存占空比

然后在图示位置，添加启动定时器TIM2和管道2以及定时器TIM4和管道4的代码,输出PWM,如图：

代码：

  HAL_TIM_PWM_Start(&htim4,TIM_CHANNEL_4);  //开启定时器4和4号通道HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_2);   //开启定时器2和2号通道

然后在下图位置添加执行呼吸灯程序的代码，如图：

每隔50毫秒，占空比加10，如果超过500（也就是PWM周期），自动变成0.

      //每隔50毫秒，占空比加10，如果超过500（也就是PWM周期），自动变成0.HAL_Delay(50);duty_num = duty_num + 10;if(duty_num > 500){duty_num = 0;}__HAL_TIM_SetCompare(&htim4,TIM_CHANNEL_4,duty_num); __HAL_TIM_SetCompare(&htim2,TIM_CHANNEL_2,duty_num);

然后点击运行，在烧录，连接电路即可。

5. 运行效果

波形如图所示：

波形会呈现出一快一慢的规律性变化。

6. 总结

PWM实现的原理是通过锯齿波/三角波(载波)所需要合成的波形(调制波)进行比较，然后确定PWM所需要输出的极性，锯齿波从比较器的反相端端输入，当大于参考电压时输出与锯齿波相反的极性，而当锯齿波从比较器同相端输入，当大于参考电压时输出与锯齿波相同极性。

参考链接：

http://www.mcublog.cn/stm32/2021_01/stm32cubemx-pwm-huxideng/
https://blog.csdn.net/m0_54711064/article/details/126648576