三、定时器PWM输出实验

1. 通用定时器PWM概述

PWM，英文名Pulse Width Modulation，是脉冲宽度调制缩写，它是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的波形（包含形状以及幅值），对模拟信号电平进行数字编码，也就是说通过调节占空比的变化来调节信号、能量等的变化，占空比就是指在一个周期内，信号处于高电平的时间占据整个信号周期的百分比，例如方波的占空比就是50%。PWM的功能有很多种，比如控制呼吸灯、控制直流电机或者舵机等驱动原件等等，是单片机的一个十分重要的功能。

在STM32单片机中，可以使用定时器的输出比较功能来产生PWM波：

即PWM模式可以产生一个由TIMx_ARR寄存器确定频率、由TIMx_CCRx寄存器确定占空比的信号。其框图如下图所示：

可见，横坐标是时间变量，纵坐标是CNT计数值，CNT计数值随着时间的推进会不断经历从0到ARR，清零复位再到ARR的这一过程。这之中还有一个数值是CCRx即比较值，通过比较值和输出配置可以使之输出高低电平逻辑，这样就产生了PWM波形。通过调节ARR的值可以调节PWM的周期，调节CCRx的值大小可以调节PWM占空比。

我们以通道1为例，详细讲解PWM的工作过程，如下图所示：

从最左边进入的是时钟源，由内部时钟(CNT)或者外部触发时钟(ETRF)输入，进入输入模式控制器，通过OCMR1寄存器的OC1M[2:0]位来配置PWM模式，之后进入一个选择器，由CCER寄存器的CC1P位来设置输出极性，最后由CCER寄存器的CC1E位来使能输出，然后通过OC1来输出PWM波。

CCR1:捕获比较(值)寄存器（x=1,2,3,4):设置比较值。

CCMR1: OC1M[2:0]位：对于PWM方式下，用于设置PWM模式1【110】或者PWM模式2【111】

CCER:CC1P位：输入/捕获1输出极性。0：高电平有效，1：低电平有效。

CCER:CC1E位：输入/捕获1输出使能。0：关闭，1：打开。

2. PWM模式

PWM有PWM模式1和模式2两种模式，它们之间的区别用寄存器TIMx_CCMR1的OC1M[2:0]位来分析：

表中红色框标识的地方就是PWM模式1和模式2的定义和区别，可以简单理解为：PWM模式1的情况下，当前值小于比较值为有效电平；PWM模式2的情况下，当前值大于比较值为有效电平。

理解这一点对之后的PWM配置十分重要。

下面是对PWM模式1以及向上计数配置情况的说明：

** 3.相关寄存器介绍**

• 捕获/比较寄存器1（TIMx_CCR1)

这里以寄存器1举例，其它的三个寄存器（CCR2、CCR3、CCR4）都是一样的

• 捕获比较模式寄存器1（TIMx_CCMR1)

可以看到，每个捕获/比较模式寄存器可以控制两个通道，这样的话每个定时器就对应两个捕获/比较模式寄存器。其最常用的位就是0C1M(OC2M）位了，这两个位是用来设置PWM模式的，有模式1和模式2两种，这就和前面所讲的对应上了。

• 捕获/比较使能寄存器（TIMx_CCER)

可以看到，位0（CC1E)和位1（CC1P)是捕获比较使能寄存器最常用的两个位，分别控制输出使能和输出极性，这就也和刚刚讲的对应上了。

• 自动重装载寄存器（TIMx_ARR)

这个寄存器不太常用，下面的库函数配置会讲解其库函数用法。

4. 定时器输出通道引脚

定时器输出PWM和定时器中断不同，定时器中断只需要开启这一外设即可工作，定时器输出PWM需要在单片机的引脚上输出实实在在的脉冲信号。

下面是定时器3的通道引脚，可以使用部分映射或者完全映射。其它定时器的引脚可以查看芯片手册。

5.定时器PWM库函数配置

• 输出库函数配置

和定时器中断实验不同，在初始化时基单元之后，还需要对输出通道进行初始化：

void TIM_OCxInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);

其结构体成员如下：

typedef struct
{
  uint16_t TIM_OCMode;  //PWM模式1或者模式2
  uint16_t TIM_OutputState; //输出使能 OR失能
  uint16_t TIM_OutputNState;
  uint16_t TIM_Pulse; //比较值，写CCRx
  uint16_t TIM_OCPolarity; //比较输出极性
  uint16_t TIM_OCNPolarity; 
  uint16_t TIM_OCIdleState;  
  uint16_t TIM_OCNIdleState; 
} TIM_OCInitTypeDef;

初始化实例：

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //PWM模式2
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
TIM_OCInitStructure. TIM_Pulse=100;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高
TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);  //根据T指定的参数初始化外设TIM3 OC2

设置比较值函数

void TIM_SetCompareX(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare2);

• 使能输出比较预装载

• void TIM_OC2PreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPreload);
  

• 使能自动重装载的预装载寄存器允许位

void TIM_ARRPreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState);

输出配置步骤

① 使能定时器3和相关IO口时钟。

使能定时器3时钟：RCC_APB1PeriphClockCmd();

     使能GPIOB时钟：RCC_APB2PeriphClockCmd();

② 初始化IO口为复用功能输出。函数：GPIO_Init();

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

③ 这里我们是要把PB5用作定时器的PWM输出引脚，所以要重映射配置，

所以需要开启AFIO时钟。同时设置重映射。

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);

    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE);

④ 初始化定时器：ARR,PSC等：TIM_TimeBaseInit();

⑤ 初始化输出比较参数:TIM_OC2Init();

⑥ 使能预装载寄存器：TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);

⑦ 使能定时器。TIM_Cmd();

⑧ 不断改变比较值CCRx，达到不同的占空比效果:TIM_SetCompare2();

6.实例

我们使用STM32单片机的定时器TIM3的PWM功能，输出占空比可变的PWM波，用来驱动LED灯，从而达到LED亮度由暗变亮，又从亮变暗，如此循环。代码如下：

//timer.c源文件


#include "timer.h"
#include "led.h"
#include "usart.h"




//TIM3 PWM部分初始化 
//PWM输出初始化
//arr：自动重装值
//psc：时钟预分频数
void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{  
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
  TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;




  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);  //使能定时器3时钟
   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB  | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);  //使能GPIO外设和AFIO复用功能模块时钟


  GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); //Timer3部分重映射  TIM3_CH2->PB5    


   //设置该引脚为复用输出功能,输出TIM3 CH2的PWM脉冲波形  GPIOB.5
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //TIM_CH2
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);//初始化GPIO


   //初始化TIM3
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值 
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
  TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位


  //初始化TIM3 Channel2 PWM模式   
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式2
   TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高
  TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);  //根据T指定的参数初始化外设TIM3 OC2


  TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);  //使能TIM3在CCR2上的预装载寄存器


  TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  //使能TIM3




}

//timer.h头文件


#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H
#include "sys.h"




void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc);
#endif

//main.c源文件


#include "led.h"
#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "timer.h"




 int main(void)
{    
   u16 led0pwmval=0;
  u8 dir=1;  
  delay_init();         //延时函数初始化    
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);    //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级
  uart_init(115200);   //串口初始化为115200
   LED_Init();           //LED端口初始化
   TIM3_PWM_Init(899,0);   //不分频。PWM频率=72000000/900=80Khz
     while(1)
  {
     delay_ms(10);   
    if(dir)led0pwmval++;
    else led0pwmval--;


     if(led0pwmval>300)dir=0;
    if(led0pwmval==0)dir=1;                     
    TIM_SetCompare2(TIM3,led0pwmval);       
  }   
 }

总结

本章从STM32定时器的原理、寄存器介绍、定时器配置以及定时器的几个常用的功能（如定时器中断、定时器输出比较PWM波形）的使用方法来教大家掌握定时器这一外设。希望读者能够仔细学习，掌握这一重要的外设。