PWM 从入门到入土
XiaoMa 博士生
  2023-04-07 16:02:07 2023-04-07 16:02   2023-04-14 04:13:23      2.2k 字  

引言

在嵌入式开发中，除了对电路进行简单的数字量控制（如【打开/关闭】，也就是“状态”控制），还会进行一些模拟电路控制（也就是“程度”控制）。举个栗子：比如现在控制一盏灯，简单的开关灯，就是对数字量（0、1）的控制；而控制灯的亮度，如把灯调得暗一些，就是对模拟量的控制。PWM 就是用来做“程度”控制的一种技术。

概念

PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是一种调制技术，用于控制模拟信号的幅度、频率和相位等特性。PWM 技术通过改变信号的脉冲宽度，来控制信号的平均电压值和电平持续时间，从而实现对模拟信号的控制。

在 PWM 技术中，一个周期的时间被分为若干个等分的时间片，每个时间片内的电平状态由信号的脉冲宽度决定，通常用占空比（Duty Cycle）表示，即高电平时间与一个周期的比值。例如，如果一个周期的时间为 1 秒，高电平时间为 0.5 秒，则占空比为 50%。

image-20230407175807992
图 1.1 PWM 输出原理图

图注：定时器工作模式为向上计数，当 CNT<CCRx 时，输出低电平，当 CNT>CCRx 时，输出高电平。当 CNT=ARR 时，重新归零，然后重新向上计数，依次循环。改变 CCRx 的值，就可以改变 PWM 的占空比。改变 ARR 的值，就可以改变 PWM 的输出频率。

举栗：定时器 TIM2 的 APB1 桥频率为 84MHz，PSC = 84 -1，经过预分频器，频率变成了 1MHz（=1/106=0.001ms），ARR 设置为 1000-1，则相当于 1KHz（= 1ms）重载一次，也就意味着 1ms 产生一次中断。①如果想要 0.2s 产生一次中断，则将 ARR 的值设为 200x103-1，如果想要 0.5s 产生一次中断，则将 ARR 的值设为 500x103-1。②如果想要占空比为 50%，则将 CCRx 的值设置为 ARR 的一半。

实操

例程 1：PWM 呼吸灯

步骤
  1. 打开 STM32CubeMX 软件，按照 STM32CubeMX 通用配置[1]配置完成后。将 PB0、PB1 引脚分别设置为 TIM3_CH3、TIM3_CH4。接着配置 TIM3 的 CH3、CH4，如图所示：
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图 3.1 LED 灯引脚定时器功能配置

  1. 配置完成后生成代码。打开 Keil5 MDK 工程文件，按照 Keil5 MDK 通用配置[1]配置完成后，开始编写代码。

    打开 main.c 文件。在【main】函数中开启 PWM。

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    /* USER CODE BEGIN 2 */
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_3);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_4);
    /* USER CODE END 2 */

    在【main】函数中的【while】循环中写 PWM 控制呼吸灯功能。

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    /* Infinite loop */
    /* USER CODE BEGIN WHILE */
    while (1)
    {
        /** LED0 配置 **/
        /* LED0 逐渐熄灭 */
        for(uint16_t pwmVal=0; pwmVal<1000; pwmVal++)
        {
            __HAL_TIM_SetCompare(&htim3, TIM_CHANNEL_4, pwmVal);
            HAL_Delay(1);
        }
        /* LED0 逐渐点亮 */
        for(uint16_t pwmVal=1000; pwmVal>0; pwmVal--)
        {
            __HAL_TIM_SetCompare(&htim3, TIM_CHANNEL_4, pwmVal);
            HAL_Delay(1);
        }

        /** LED1 配置 **/
        /* LED1 逐渐熄灭 */
        for(uint16_t pwmVal=0; pwmVal<1000; pwmVal++)
        {
            __HAL_TIM_SetCompare(&htim3, TIM_CHANNEL_3, pwmVal);
            HAL_Delay(1);
        }
        /* LED1 逐渐点亮 */
        for(uint16_t pwmVal=1000; pwmVal>0; pwmVal--)
        {
            __HAL_TIM_SetCompare(&htim3, TIM_CHANNEL_3, pwmVal);
            HAL_Delay(1);
        }
        /* USER CODE END WHILE */

        /* USER CODE BEGIN 3 */
    }
    /* USER CODE END 3 */

  2. 编译代码，下载到开发板。例程成功运行。

总结

Q1：pwmVal 变量的值与 LED 灯亮度的关系？

A1：当 pwmVal 的值从 0 到 1000 变化时，PWM 波形的占空比会从 0% 逐渐变化到 100%。具体来说，当 pwmVal 为 0 时，PWM 波形的占空比为 0%，即输出为低电平；当 pwmVal 为 1000 时，PWM 波形的占空比为 100%，即输出为高电平。正点原子阿波罗这款开发板的 LED 等是低电平亮、高电平灭，因此，当 pwmVal 的值增加时，占空比增加，高电平增加，亮度变暗。当 pwmVal 的值减小时，占空比减小，低电平增加，亮度变亮。pwmVal 的值与 LED 灯亮度呈反比关系。

pwmVal 占空比 高电平 亮度
↑ ↑ ↑ ↓
↓ ↓ ↓ ↑

Q2：【HAL_Delay】函数的作用？

A2：【HAL_Delay】函数的作用是产生延时，使程序在逐渐增加或降低 LED 亮度的过程中，能够有足够的时间让人眼观察到亮度变化。如果没有 Delay 函数，LED 的亮度会在很短的时间内逐渐变亮或变暗，人眼很难察觉到亮度变化。延时时间越长，越能充分观察到 LED 亮度的变化。但是如果延时时间过长，则会影响程序的响应速度。另外，建议使用【HAL_Delay】作为延时函数而不是另外写一个，因为这个更准确，可以产生 1ms 延时。如下面这个函数，通过循环计数的方式实现延时，即在一个循环中执行一定的操作，直到计数器减为 0，从而产生一定的延时，但是其单位是 CPU 时钟周期或者是毫秒，就不够准确了，所以还是不要用了。

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void Delay(unsigned int t)
{
    while(t--);
}

例程 2：PWM 舵机

功能实现：①使用 TIM2 中断控制 LED0 的闪烁，用于检测显示程序正在实时运行。②使用 TIM3_CH1 控制 PA6 引脚输出 PWM，控制舵机（SG90 180°）。③使用按键 KEY0 控制 PWM 输出。④使用按键 KEY1 控制 LED1 的亮灭，用于检测显示程序正在实时运行。

步骤
  1. 打开 STM32CubeMX 软件，按照 STM32CubeMX 通用配置[1]配置完成后。将 LED 灯引脚 PB0、PB1 引脚设置为 GPIO_Output，将按键引脚 PH2、PH3 引脚设置为 GPIO_Input，将 PA6 引脚设置为 TIM3_CH1。
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图 3.2 LED 灯、按键、PWM 引脚设置
  1. 将按键引脚 PH2、PH3 改为上拉（Pull-up）输入。
image-20230408213106845
图 3.3 按键引脚配置

  1. 定时器 TIM3 配置。

    180° 舵机周期为 20ms，则 ARR = 20*103-1。

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图 3.4 定时器 TIM3_CH1 配置

  1. 定时器 TIM2 配置。

    • 每 200ms 翻转一次 LED0 电平，ARR = 200*103-1。

    • 使能中断。

image-20230408214340107
图 3.5 定时器 TIM2 ARR 配置
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图 3.6 定时器 TIM2 中断使能

  1. 配置完成后生成代码。打开 Keil5 MDK 工程文件，按照 Keil5 MDK 通用配置[1]配置完成后，开始编写代码。

    分步代码：

    ① 开启定时器中断和 PWM：打开 main.c 文件。

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    ↓↓↓注：main() 函数内↓↓↓
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    /* USER CODE BEGIN 2 */
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); //开启定时器中断
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); //开启 PWM
    /* USER CODE END 2 */

    ② 使用定时器 TIM2 中断控制 LED0 的闪烁：打开 main.c 文件。

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    ↓↓↓注：main() 函数外↓↓↓
    ----------------------- 
    /* USER CODE BEGIN 0 */
    void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
    {
    	/* TIM2--LED0 每 20ms 翻转一次电平 */
    	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_1);
    }
    /* USER CODE END 0 */

    ③ KEY1 控制 LED1 亮灭：打开main.c 文件。

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    ↓↓↓注：main() 函数外↓↓↓
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    /* USER CODE BEGIN 0 */
    /* 宏定义 KEY0、KEY1 */
    # define KEY0 HAL_GPIO_ReadPin(GPIOH,GPIO_PIN_3)
    # define KEY1 HAL_GPIO_ReadPin(GPIOH,GPIO_PIN_2)

    void Scan_Keys()
    {
    	/* KEY1--LED1 按下控制亮灭 */
    	if(KEY1 == 0)
    	{
    		HAL_Delay(200); //延时函数去抖动
    		if(KEY1 == 0)
    		{
    			HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_0);
    			while(KEY1 == 0);
    		}
    	}
    }
    /* USER CODE END 0 */
    -----------------------
    ↓↓↓注：main() 函数内↓↓↓
    -----------------------   
    /* USER CODE BEGIN WHILE */
    while (1)
    {
        Scan_Keys();
    /* USER CODE END WHILE */
         /* USER CODE BEGIN 3 */
    }
    /* USER CODE END 3 */

    ④ KEY0 控制 PWM 输出：打开 main.c 文件。

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    ↓↓↓注：main() 函数外↓↓↓
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    /* USER CODE BEGIN 0 */
    /* 宏定义 KEY0、KEY1 */
    # define KEY0 HAL_GPIO_ReadPin(GPIOH,GPIO_PIN_3)
    # define KEY1 HAL_GPIO_ReadPin(GPIOH,GPIO_PIN_2)

    void Scan_Keys()
    {
    	/* KEY0--PWM 按下控制舵机旋转 90° */
    	if(KEY0 == 0)
    	{
    		HAL_Delay(200); //延时函数去抖动
    		if(KEY0 == 0)
    		{
                /* 运行逻辑：开始舵机在 0° 位置，1500 表示转到 90°，500 表示转到 0°，此处代码的意思是按下 KEY0，舵机由初始位置 0° 旋转到 90°，然后再回到初始位置 0° */
                __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 1500);
    			HAL_Delay(1000); // 延时 1s，为了让舵机旋转到 90° 时停一下再旋转
    			__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 500);
    			while(KEY0 == 0);
    		}
    	}
    }
    /* USER CODE END 0 */
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    完整代码

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    ↓↓↓注：main() 函数外↓↓↓
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    /* USER CODE BEGIN 0 */
    # define KEY0 HAL_GPIO_ReadPin(GPIOH,GPIO_PIN_3)
    # define KEY1 HAL_GPIO_ReadPin(GPIOH,GPIO_PIN_2) 

    /* TIM2 中断回调函数：控制 LED0 闪烁 */
    void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
    {
    	/* TIM2--LED0 每 20ms 翻转一次电平 */
    	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_1);
    }

    /* 功能函数：扫描按键 */
    void Scan_Keys()
    {
    	/* KEY0--PWM 按下控制舵机旋转 90° */
    	if(KEY0 == 0)
    	{
    		HAL_Delay(100); //延时函数去抖动
    		if(KEY0 == 0)
    		{
    			/* 运行逻辑：开始舵机在 0° 位置，1500 表示转到 90°，500 表示转到 0°，此处代码的意思是按下 KEY0，舵机由初始位置 0° 旋转到 90°，然后再回到初始位置 0° */
    			__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 1500);
    			HAL_Delay(1000); // 延时 1s，为了让舵机旋转到 90° 时停一下再旋转
    			__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 500);
    			while(KEY0 == 0);
    		}
    	}
    	
    	/* KEY1--LED1 按下控制亮灭 */
    	if(KEY1 == 0)
    	{
    		HAL_Delay(200); //延时函数去抖动
    		if(KEY1 == 0)
    		{
    			HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB,GPIO_PIN_0);
    			while(KEY1 == 0);
    		}
    	}
    }
    /* USER CODE END 0 */

    -----------------------
    ↓↓↓注：main() 函数内↓↓↓
    ----------------------- 
    /* USER CODE BEGIN 2 */
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); //开启定时器中断
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); //开启 PWM
    /* USER CODE END 2 */

    /* USER CODE BEGIN WHILE */
    while (1)
    {
        Scan_Keys();
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    }
    /* USER CODE END 3 */

  2. 编译代码，下载到开发板。例程成功运行，各功能均已实现。

总结

参考

[1] 成为点灯大师 LED Master | Story Begins……

[2] STM32 HAL 库实现舵机旋转 | Story Begins……

  • 本文标题：PWM 从入门到入土
  • 本文作者：XiaoMa
  • 创建时间：2023-04-07 16:02:07
  • 本文链接：2023/04/07/055-PWM-从入门到入土/
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  1. 1. 引言
  2. 2. 概念
  3. 3. 实操
    1. 3.1. 例程 1：PWM 呼吸灯
      1. 3.1.1. 步骤
      2. 3.1.2. 总结
    2. 3.2. 例程 2：PWM 舵机
      1. 3.2.1. 步骤
      2. 3.2.2. 总结
  4. 4. 参考