01 PWM介绍

PWM定义：脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM）简称脉宽调制。通俗讲，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。

电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

1 h0 L$ i6 N6 ?& U3 ?2 ~+ ~

占空比定义：占空比就是高电平所占整个周期的时间，如下图所示:

; V- e1 s, d( `3 A# ~* C

第一个PWM波，周期为10ms，高电平的时间为4ms，所以占空比为40%，同理第二个PWM波为60%，第三个为80%。

PWM的频率： PWM的频率的整个周期的倒数，所以说上图PWM的周期为1/0.01，也就是100HZ。改变PWM的频率是通过改变整个的周期实现的。所以通过改变高低电平总共的时间、改变高电平占总周期的比例就可以实现任意频率、任意占空比的PWM波。

PWM的用途和优点：电机调速、功率调制、PID调节、通信等等，配置简单、抗干扰能力强，从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。并且让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小，噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响，这是PWM用于通信的主要原因。

02 STM32的管脚复用

STM32没有专门的PWM引脚，所以使用IO口的复用模式。首先确认PWM功能的输出管脚，使用定时器9。从下面的框图中得知，timer9只有两个输出通道，所以timer9只能输出两路PWM。

0 T1 t8 ^8 Q: O' }; R

在STM32F207数据手册中的Alternatefunction mapping图片中，timer9的两个通道分别可以复用为PA2，PA3，PE5和PE6。

) R+ [; T! T, l: h' G; L9 p  V

03 STM32输出PWM原理

下图中的①部分，在《[color=var(--weui-LINK)]STM32基础定时器详解》讲解过了，关于影子寄存器，也在《[color=var(--weui-LINK)]STM32影子寄存器》中讲述，下文不再赘述了。本文将重点在②部分，捕获/对比通道讲解，其中STM32的PWM就是利用对比通道实现的。

% s0 f% {( V8 _3 l: U' [, d, B% n- {

Pulse Width Modulation mode allows you to generate a signal with afrequency determined by the value of the TIMx_ARR register and a dutycycle determined by the value of the TIMx_CCRx register。

节选自STM32F207 Reference manual手册

" l- S# @$ x" T  C

脉冲宽度调制模式可以生成一个信号，该信号频率由TIMx_ARR 寄存器值决定，其占空比则由TIMx_CCRx 寄存器值决定。
6 o. Q: d+ w3 u# X

& ~: f4 J9 S' j6 g

从下图可以看出，当CCR寄存器和CNT计数器数值一样时，会产生动作（改变通道对应的GPIO电平）。由于CNT溢出时，重载值由TIMx_ARR寄存器值决定的。所以说TIMx_ARR寄存器值决定周期，而TIMx_CCRx寄存器值决定CNT溢出时，经过多久会产生动作（改变通道对应的GPIO电平），也就是决定了占空比。

* M6 Y! `2 j' f1 I3 ?

& O# A, }  s3 h: G& l1 N

以向上计数为例，重载值为ARR，比较值为CRRx

7 u  c" k" z: m% l+ c

上图可以看出：

• 0-t1段,定时器计数器TIMx_CNT值小于CCRx值,输出低电平。
• t1-t2段,定时器计数器TIMx_CNT值大于CCRx值,输出高电平。
  
  
  ; U& @5 X7 ?$ t  \0 Z5 c1 E

当TIMx_CNT值达到ARR时,定时器溢出,重新向上计数...循环此过程至此一个PWM周期完成。

$ h/ L% h0 ]$ D5 K& Z/ ?# y

上图更加形象的说明了

• 信号频率由 TIMx_ARR 寄存器值决定。
• 占空比则由 TIMx_CCRx 寄存器值决定。
  
  0 B2 R# T5 {, N+ [% m- T
  

4 j+ i% q: v/ P* C" O

STM32输出PWM的过程：

1、首先配置GPIO，配置定时器，具体参考一下代码。定时器配置参考《STM32基础定时器详解》。

2、捕获/比较通道使能比较通道。

. J; k" ?4 C5 l  z) z) s

上图看到，①寄存器名字为：Capture/Compare1register。可以选择从②处输入捕获，也可以选择从从③中输出，也就是我们需要的PWM输出功能。选择捕获通道，还是选择比较通道，在框图中没有找到具体的说明，但在TIMx_CCMR1寄存器CC1S[1:0]控制位使能。

& N) F$ l" ~/ y% t3 g; [

3、使能完输出，就要配置PWM输出了

①TIMx_CCMR1寄存器的OC1M[2:0]位,设置输出模式控制器

2 {( K' `: Q6 j7 U" E* S6 L* g8 u

110：PWM模式1，111：PWM模式2。

+ D: m5 n& \9 e6 g9 h/ J

②计数器值TIMx_CNT与通道1捕获比较寄存器CCR1进行比较,通过比较结果输出有效电平和无效电平。

" V% o: [: h, |. l3 n1 g

: X4 d4 @/ Z6 b: ^) b% ~- h; J

OC1REF=0 无效电平，OC1REF=1无效电平。

③通过输出模式控制器产生的信号。TIMx_CCER寄存器的CC1P位,设置输入/捕获通道1输出极性。

0:高电平有效，1:低电平有效。

6 ~8 `' G& x5 `% O" p  N7 J& K

④TIMx_CCER:CC1E位控制输出使能电路,信号由此输出到对应引脚。

3 ]4 r) `0 s0 k

0:关闭，1：打开。

! V' H" B- M/ A6 {, k

首先对PWM模式1和PWM模式2进行介绍：

01 模式1

在向上计数时，一旦TIMx_CNT<TIMx_CCR1时通道1为有效电平，否则为无效电平；在向上计数时，一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1时通道1为无效电平（OC1REF=0）,否则为有效电平（OC1REF=1）。

02 模式2
) l: p7 y; P5 u. \% ~

在向上计数时，一旦TIMx_CNT<TIMx_CCR1时通道1为无效电平，否则为有效电平；在向下计数时，一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1时通道1为有效电平，否则为无效电平。

TIMx_CNT>TIMx_CCR1时通道1为有效电平，否则为无效电平。
0 X# n+ j! ^& ]" N1 T) B0 F3 N% q. H) ^

PWM输出高低电平由TIMx_CCMR1:OC1M位和TIMx_CCER:CC1P位共同决定。

; l7 X! s& s, B6 c# k% d

总结下来：

模式1:

    CNT<CCR为有效电平//(OC1REF =1)

    CNT>CCR为无效电平//(OC1REF =0)

模式2:

    CNT<CCR为无效电平//(OC1REF =0)

    CNT>CCR为有效电平//(OC1REF =1)

8 G  |5 [# f, m+ s: P/ f

CC1P:

    0:高电平有效

    1:低电平有效

04 STM32输出PWM配置
; H6 X0 O1 P# f$ d( k

分析了原理，那么下面就分析STM32生成PWM的过程。

9 s' {+ j; L+ T) v  q& k" y6 W

1、首先要将GPIO设置为复用输出

9 M, b9 t4 l# U, b7 [

1. 
   
2. /* GPIOE clock enable */
   
3. RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE,ENABLE);
   0 L- x* J7 N! t2 k  j
4. 
   % f3 k& Q( V/ [. T$ Z, e5 o/ N3 z; ~
5. /* GPIOE Configuration: TIM9 CH2(PE6)*/
   
6. GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 |GPIO_Pin_6;
   2 \8 Q& M7 q8 d6 G* q5 @) X
7. GPIO_InitStructure.GPIO_Mode =GPIO_Mode_AF;
   
8. GPIO_InitStructure.GPIO_Speed =GPIO_Speed_100MHz;
   5 o: P2 f) ^* y
9. GPIO_InitStructure.GPIO_OType =GPIO_OType_PP;
   . t# C) f, P5 \6 \2 o; @
10. GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
    
11. GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);
    ( o( Z# C& x- |: A- |
12. 
    
13. /*Connect TIM9 pins to AF3 */  
    
14. GPIO_PinAFConfig(GPIOE,GPIO_PinSource5, GPIO_AF_TIM9);
    
15. GPIO_PinAFConfig(GPIOE,GPIO_PinSource6, GPIO_AF_TIM9);

复制代码

2、配置定时器向上计数，配置定时器频率

1. 
   $ f7 O1 G, F+ {, }1 X# S3 s
2. /* TIM9 clock enable */
   % N) V1 n) Q( g* ~( Q( {& w
3. RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM9,ENABLE);
   5 N$ }$ D$ `* R& C! I3 q4 J6 j
4. 
   - t4 D+ t* H% ]' u* j1 G
5. /* Compute the prescaler value */
   
6. PrescalerValue= (uint16_t) ((SystemCoreClock) / 2000000) - 1;
   
7. 
   ' ]: g* ]  j6 Y6 T3 F/ u
8. /* Timebase configuration */
   
9. TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =1000-1;
   + o0 }% X% L' i! c  Y9 Y- S, k) l0 _
10. TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =PrescalerValue;
    
11. TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision =0;
    
12. TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode =TIM_CounterMode_Up;
    
13. 
    9 `/ S7 {4 X9 o6 {3 j& n( V6 e
14. TIM_TimeBaseInit(TIM9,&TIM_TimeBaseStructure);

复制代码

5 k9 ]- g8 m$ y! H

3、配置PWM输出上面分析过程较为麻烦，ST提供了标准外设库，我们只需要配置TIM_OCInitTypeDef结构体即可。
# x' e. R3 ^. E, x! W

1. 
   ' J+ G. o! w+ b" o- i3 C1 {
2. TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
   
3. 
   
4. /* PWM Modeconfiguration: Channel1 */
   $ }6 m+ O7 `( V' h, z8 ]
5. TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode =TIM_OCMode_PWM1;
   
6. TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState =TIM_OutputState_Enable;
   ) c" i: l: a+ z, P" q& ~7 [6 l1 m
7. TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse =100-1;
   ; \" X$ w% |  ]3 a
8. TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity =TIM_OCPolarity_High;
   * G& A5 d8 h% `: d! \4 T; z; C
9. 
   
10. TIM_OC1Init(TIM9,&TIM_OCInitStructure);
    ! P$ n# A$ r1 e" B
11. TIM_OC1PreloadConfig(TIM9,TIM_OCPreload_Enable);

复制代码

8 q7 u8 v# U4 a+ V" T

) [, d' p3 h( [

TIM_OCInitTypeDef结构体解析

1. 
   $ h+ T7 Z; U' i8 }  ]* n
2. typedef struct
   # N9 c5 J! Y1 ?4 e) j2 W' R" M) ]
3. {
   
4.   uint16_t TIM_OCMode;      //PWM模式1或者模式2
   0 b8 U. W3 t+ D6 b* u- J3 D& q7 {) |
5. uint16_t TIM_OutputState; // 输出使能OR失能
   
6. uint16_t TIM_OutputNState;  // PWM输出不需要
   
7. uint32_t TIM_Pulse; // 比较值
   6 Z2 m, A! X  u6 [! N, a1 k. f
8. uint16_t TIM_OCPolarity;// 比较输出极性
   / g4 B) Y% e! O6 m1 K7 Q% J; i
9.   uint16_t TIM_OCNPolarity;   // PWM输出不需要
   
10.   uint16_t TIM_OCIdleState;// PWM输出不需要
    % C' P! o( C/ L* v0 W
11. uint16_t TIM_OCNIdleState; // PWM输出不需要
    
12. }TIM_OCInitTypeDef;

复制代码

$ S1 a# b/ ^$ Q

其中TIM_Pulse可以在初始化时设置，设置完毕后，也可以通过以下接口再次更新。

1. 
   1 z  G2 T- ?2 m* u0 v9 p. W: h. J
2. void TIM_SetCompare1(TIM_TypeDef* TIMx, uint32_t Compare1)

复制代码

4、使能定时器

1. 
   
2. TIM_ARRPreloadConfig(TIM9, ENABLE);
   
3. 
   
4. /* TIM9 enable counter*/
   ' P2 \8 d; S( o/ r5 j/ i. j, N' z
5. TIM_Cmd(TIM9, ENABLE);

复制代码

8 b6 D% i2 ]! n! B( R0 ]

使用timer9输出PWM的波形。

! f" Q3 f' o; n
2 T0 f1 b+ v3 _9 M" t