STM32定时器与PWM应用详解：从基础原理到代码实现
STM32定时器与PWM应用详解：从基础原理到代码实现
本文详细介绍了STM32定时器（TIM）的工作原理及其在PWM输出中的应用，重点讲解了定时器的中断结构、输出比较模式以及PWM在舵机和直流电机控制中的具体实现。通过本文，读者可以深入了解STM32定时器的配置方法和PWM信号的生成原理，并掌握相关硬件控制的代码实现。
一、TIM 简介
定时器（Timer，简称 TIM）是 STM32 中非常重要的外设之一，广泛应用于定时、计数、PWM 输出、事件触发等多种场景。STM32 提供了多个定时器，每个定时器的功能和性能有所不同，但基本原理类似。
定时器的工作原理是通过不断计数来产生定时事件，计数器会在每个周期到达预设值时触发中断，允许用户在中断服务程序（ISR）中执行相应的操作。
STM32 的定时器可以用于：
- 时间延迟：精确控制程序执行的时间。
- PWM 输出：用于控制电机、LED 等设备的亮度和速度。
- 外部事件计数：用于计数外部信号的发生次数。
- 定时中断：定期触发中断，进行周期性操作。
二、定时器类型
STM32 提供了多种类型的定时器：每种定时器的功能根据其应用场景和资源不同而有所差异，但它们都具备基础的定时和中断功能。
三、定时器中断的基本结构
定时器的中断通常由计数器溢出（或者达到某个比较值）引发。当定时器的计数器值与设定的比较值匹配时，定时器会触发中断请求。中断服务程序会在定时器中断触发时被调用。
时基单元的组成：ARR、PSC、CNT
ARR（自动重载寄存器）：
ARR 定义了定时器的计数周期，也就是定时器从0到ARR的计数范围。例如，设置 ARR 为 9999，定时器将从 0 开始计数，直到 9999 后重新计数。
该寄存器的值决定了定时器的计数周期，通常与预分频器配合使用，以确定计时器的实际时间间隔。
PSC（预分频器寄存器）：
PSC 用来设置定时器时钟的预分频器。定时器时钟源的频率会被预分频器分频，然后驱动计数器进行计数。
预分频器值为PSC，可以计算出定时器的实际计数频率：定时器频率＝时钟频率 / （PSC+1）
通过设置不同的预分频器值，可以调整定时器的计数速度。
CNT（计数器寄存器）：
CNT 存储定时器当前的计数值， 通常从 0 开始计数，在到达 ARR 设置的值后溢出，并触发中断。
四、输出比较与 PWM
在 STM32 中，输出比较和PWM广泛应用于控制设备的响应，如舵机、直流电机等。定时器的输出比较功能可以用于产生精确的时间间隔或频率信号，PWM 通常用于调节输出信号的占空比，以控制设备的工作状态。
1.输出比较简介
输出比较是定时器的一种功能，允许定时器与外部事件同步，或者用于产生精确的定时事件。定时器的计数器值与设定的比较值进行比对，当计数器值达到比较值时，定时器将输出相应的信号。
输出比较可以配置为不同的模式，主要用于：
- 产生定时信号：通过输出一个精确的波形或频率。
- 事件触发：当计数器与比较值匹配时，可以触发外部事件或中断。
2.PWM 简介
PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种通过控制信号的高电平时间（占空比）来调节电力输出的技术。它广泛用于电机控制、LED 调光等应用。通过调节 PWM 信号的占空比，可以控制外设的输出功率。
PWM 信号的基本结构为一个周期性的方波信号，其中占空比（高电平持续时间与周期的比例）决定了信号的平均功率。占空比越高，输出功率越大。
3.输出比较模式
输出比较有多个模式，常见的模式如下图所示：
（CNT：自带的计数器 CCR：自己设置的一个 用于和CNT比较的值 ）
4.PWM 基本结构
PWM 信号的基本结构是一个周期性的方波，其中周期由定时器的ARR（自动重载寄存器）设置，占空比由CCR（比较寄存器）设置。
- ARR（自动重载寄存器）：设置 PWM 信号的周期。定时器从 0 开始计数，直到 ARR 设置的值，然后重新计数。
- CCR（比较寄存器）：设置 PWM 信号的占空比。通过调整 CCR 值，可以改变高电平持续的时间，从而改变占空比。
5.PWM 参数计算
PWM 的参数计算通常涉及以下几个步骤：
- PWM 周期= ARR + 1
- PWM 占空比= (CCR / ARR) * 100%
例如，假设系统时钟为 72 MHz，定时器的 ARR 设置为 9999，CCR 设置为 5000，那么：
- PWM 周期 = 9999 + 1 = 10000（时钟周期数）。
- PWM 占空比 = (5000 / 10000) * 100% = 50%。
通过调整 CCR 和 ARR 的值，可以控制 PWM 信号的频率和占空比。
（ARR+1的原因是计数器从0开始计数，PSC+1的原因是，PSC=1时为二分频，=2时为三分频.....）
6.舵机简介
舵机是一种常用于控制角度的电动执行器。舵机通常使用 PWM 信号来控制其角度位置。PWM 信号的占空比决定了舵机转动的角度，一般来说，舵机的工作范围是 0° 到 180°，而占空比通常对应于某个特定的角度。
- 舵机控制：常用的舵机控制方法是将 PWM 信号的占空比调整为一定的值，从而让舵机转到相应的角度。例如，占空比为 5% 时，舵机对应 0°，则占空比为 10% 时，舵机对应 90°，占空比为 15% 时，舵机对应 180°。
8.直流电机及驱动简介
直流电机（DC Motor）是通过电流在电磁场中产生运动的电动机，广泛用于自动化控制和电动工具中。直流电机的转速和转向可以通过调节电流和电压来控制。
- PWM 控制直流电机：通过调节 PWM 信号的占空比，可以控制电机的转速。占空比越大，电机的平均电压越高，转速也越快。
五、代码部分
（为便于复习，给出来自江科大的相关代码。）
1.PWM初始化
#include "stm32f10x.h" // Device header
/**
* 函 数：PWM初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void PWM_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); //开启TIM2的时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
/*GPIO初始化*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA1引脚初始化为复用推挽输出
//受外设控制的引脚，均需要配置为复用模式
/*配置时钟源*/
TIM_InternalClockConfig(TIM2); //选择TIM2为内部时钟，若不调用此函数，TIM默认也为内部时钟
/*时基单元初始化*/
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; //定义结构体变量
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //时钟分频，选择不分频，此参数用于配置滤波器时钟，不影响时基单元功能
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数器模式，选择向上计数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 20000 - 1; //计数周期，即ARR的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1; //预分频器，即PSC的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; //重复计数器，高级定时器才会用到
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure); //将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit，配置TIM2的时基单元
/*输出比较初始化*/
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; //定义结构体变量
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStructure); //结构体初始化，若结构体没有完整赋值
//则最好执行此函数，给结构体所有成员都赋一个默认值
//避免结构体初值不确定的问题
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //输出比较模式，选择PWM模式1
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性，选择为高，若选择极性为低，则输出高低电平取反
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //初始的CCR值
TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure); //将结构体变量交给TIM_OC2Init，配置TIM2的输出比较通道2
/*TIM使能*/
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能TIM2，定时器开始运行
}
/**
* 函 数：PWM设置CCR
* 参 数：Compare 要写入的CCR的值，范围：0~100
* 返 回 值：无
* 注意事项：CCR和ARR共同决定占空比，此函数仅设置CCR的值，并不直接是占空比
* 占空比Duty = CCR / (ARR + 1)
*/
void PWM_SetCompare2(uint16_t Compare)
{
TIM_SetCompare2(TIM2, Compare); //设置CCR2的值
}
2.舵机初始化
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "PWM.h"
/**
* 函 数：舵机初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void Servo_Init(void)
{
PWM_Init(); //初始化舵机的底层PWM
}
/**
* 函 数：舵机设置角度
* 参 数：Angle 要设置的舵机角度，范围：0~180
* 返 回 值：无
*/
void Servo_SetAngle(float Angle)
{
PWM_SetCompare2(Angle / 180 * 2000 + 500); //设置占空比
//将角度线性变换，对应到舵机要求的占空比范围上
}
3.直流电机初始化
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "PWM.h"
/**
* 函 数：直流电机初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void Motor_Init(void)
{
/*开启时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //开启GPIOA的时钟
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //将PA4和PA5引脚初始化为推挽输出
PWM_Init(); //初始化直流电机的底层PWM
}
/**
* 函 数：直流电机设置速度
* 参 数：Speed 要设置的速度，范围：-100~100
* 返 回 值：无
*/
void Motor_SetSpeed(int8_t Speed)
{
if (Speed >= 0) //如果设置正转的速度值
{
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); //PA4置高电平
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); //PA5置低电平，设置方向为正转
PWM_SetCompare3(Speed); //PWM设置为速度值
}
else //否则，即设置反转的速度值
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_4); //PA4置低电平
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); //PA5置高电平，设置方向为反转
PWM_SetCompare3(-Speed); //PWM设置为负的速度值，因为此时速度值为负数，而PWM只能给正数
}
}