同一定时器输出4路不同频率且占空比可调的PWM

同一定时器输出4路不同频率且占空比可调的PWM

在嵌入式系统开发中，定时器常用于生成PWM信号。通常情况下，一个定时器可以输出4路占空比独立可调的PWM，但这些输出的频率是相同的。然而，在某些应用场景中，可能需要使用一个定时器输出不同频率的PWM信号。本文将详细介绍如何通过定时器的中断处理机制实现这一功能。

原理分析

定时器的工作原理基于三个关键参数：预分频值（psc）、重装载值（arr）和比较值（ccp）。

• 预分频值决定了定时器的计数频率。
• 重装载值确定了一个PWM周期内计数的次数，这两个参数组合决定了PWM的频率。
• 比较值则控制PWM的占空比。

以向上计数、小于比较值为有效电平、有效电平极性为高为例，PWM输出的波形如下图所示：

不难发现，当计数值等于比较值时，输出电平会进行翻转。因此，可以通过在比较捕获中断中重新设置比较值（ccp），实现在一个重装载值周期内完成多次电平的翻转。由于每个通道的比较值都能够独立设置，因此可以实现不同通道翻转的频率不同，即输出不同频率的PWM。下图展示了一个通道在重装载周期内实现多次电平翻转的情况：

软件配置

以CH32V307的TIM2为例，输出4路频率分别为1K、2K、8K、10K，占空比分别为10%、20%、50%、80%的PWM。

1. 定时器初始化

/*******************************************************************************
* Function Name  : TIM2_PWM_Init
* Description    : Initializes the TIM2 
* Input          : arr - 重装载值
*                  psc - 预分频值
*                  ch1_ccp ~ ch4_ccp - 通道1~通道4的比较捕获值
* Return         : None
*******************************************************************************/
void TIM2_PWM_Init(u16 arr, u16 psc, u16 ch1_ccp, u16 ch2_ccp, u16 ch3_ccp, u16 ch4_ccp)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure={0};
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure={0};
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure={0};
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure = {0};
    /* 使能时钟 */
    RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );
    RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE );
    /* GPIO配置 */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  // 复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init( GPIOA, &GPIO_InitStructure );
    /* TIM配置 */
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;  // 重装载值
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;  // 预分频值
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;  
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  // 向上计数
    TIM_TimeBaseInit( TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_Toggle;  // 翻转模式
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;  // 输出使能
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;  // 有效电平为高电平
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = ch1_ccp;  // 通道1的比较值
    TIM_OC1Init( TIM2, &TIM_OCInitStructure );
    TIM_OC1PreloadConfig( TIM2, TIM_OCPreload_Disable );
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = ch2_ccp;  // 通道2的比较值
    TIM_OC2Init( TIM2, &TIM_OCInitStructure );
    TIM_OC2PreloadConfig( TIM2, TIM_OCPreload_Disable );
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = ch3_ccp;  // 通道3的比较值
    TIM_OC3Init( TIM2, &TIM_OCInitStructure );
    TIM_OC3PreloadConfig( TIM2, TIM_OCPreload_Disable );
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = ch4_ccp;  // 通道4的比较值
    TIM_OC4Init( TIM2, &TIM_OCInitStructure );
    TIM_OC4PreloadConfig( TIM2, TIM_OCPreload_Disable );
    /* 中断配置 */
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn; 
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;  // 抢占优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;  // 子优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init( &NVIC_InitStructure );
    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM2, ENABLE );  // 使能PWM输出
    TIM_ARRPreloadConfig( TIM2, ENABLE );  // 使能自动重装载
    TIM_ITConfig( TIM2, TIM_IT_CC1 | TIM_IT_CC2 | TIM_IT_CC3 | TIM_IT_CC4, ENABLE );  // 使能比较捕获中断
    TIM_Cmd( TIM2, ENABLE );  // 使能TIM
}

• TIM_OCMode设置为Toggle翻转模式；
• TIM_OCPreload_Disable禁止预装载功能，保证可随时更新比较值寄存器以控制输出波形；
• 使能输出通道的比较捕获中断；

2. 中断处理

u16 CCR1_dc = 10;  // 通道1的占空比
u16 CCR2_dc = 20;  // 通道2的占空比
u16 CCR3_dc = 50;  // 通道3的占空比
u16 CCR4_dc = 80;  // 通道4的占空比
u32 capture = 0;
u8 flag1 = 0, flag2 = 0, flag3 = 0, flag4 = 0;
u16 setcap = 0;
/*******************************************************************************
* Function Name  : TIM2_IRQHandler
* Description    : TIM2中断服务函数
* Input          : None
* Return         : None
*******************************************************************************/
void TIM2_IRQHandler( void )
{
    if( TIM_GetITStatus( TIM2, TIM_IT_CC1 ) != RESET )  // 判断是否为通道1的比较捕获中断
    {
        TIM_ClearITPendingBit( TIM2, TIM_IT_CC1 );  // 清除中断标志
        capture = TIM_GetCapture1( TIM2 );  // 获取通道1的比较值
        /* 设置占空比 */
        if( flag1 == 0 )
        {
            flag1 = 1;
            setcap = capture + ( u32 )CCR1_CCP * CCR1_dc / 100;
        }
        else
        {
            flag1 = 0;
            setcap = capture + ( u32 )CCR1_CCP  * ( 100 - CCR1_dc ) / 100;
        }
        TIM_SetCompare1( TIM2, setcap  );  // 设置比较值
    }
    if( TIM_GetITStatus( TIM2, TIM_IT_CC2 ) != RESET )
    {
        TIM_ClearITPendingBit( TIM2, TIM_IT_CC2 );
        capture = TIM_GetCapture2( TIM2 );
        if( flag2 == 0 )
        {
            flag2 = 1;
            setcap = capture + CCR2_CCP * CCR2_dc / 100;
        }
        else
        {
            flag2 = 0;
            setcap = capture + CCR2_CCP  * ( 100 - CCR2_dc ) / 100;
        }
        TIM_SetCompare2( TIM2, setcap );
    }
    if( TIM_GetITStatus( TIM2, TIM_IT_CC3 ) != RESET )
    {
        TIM_ClearITPendingBit( TIM2, TIM_IT_CC3 );
        capture = TIM_GetCapture3( TIM2 );
        if( flag3 == 0 )
        {
            flag3 = 1;
            setcap = capture + CCR3_CCP * CCR3_dc / 100;
        }
        else
        {
            flag3 = 0;
            setcap = capture + CCR3_CCP  * ( 100 - CCR3_dc ) / 100;
        }
        TIM_SetCompare3( TIM2, setcap );
    }
    if( TIM_GetITStatus( TIM2, TIM_IT_CC4 ) != RESET )
    {
        TIM_ClearITPendingBit( TIM2, TIM_IT_CC4 );
        capture = TIM_GetCapture4( TIM2 );
        if( flag4 == 0 )
        {
            flag4 = 1;
            setcap = capture + CCR4_CCP * CCR4_dc / 100;
        }
        else
        {
            flag4 = 0;
            setcap = capture + CCR4_CCP  * ( 100 - CCR4_dc ) / 100;
        }
        TIM_SetCompare4( TIM2, setcap );
    }
}

总结

通过上述方法，可以使用同一定时器输出不同频率和占空比的PWM信号。实际效果如下图所示：

参考程序：CH32V307_TIM2_PWM