PWM常见输出方法及避坑指南

Posted 2021-09-21 ybhuangfugui

PWM的应用可以说非常广泛，控制电机速度、灯光亮度、通信调制等众多领域。

PWM的问题小伙伴问的比较多，最近也在用PWM，这里就分享一下关于PWM的一些内容。

什么是PWM？

PWM：Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。

网上的解释很多，通过下图，你就能直观的理解PWM，其实就是高低电平组成的脉冲信号。

通过改变其中频率（脉冲周期）、占空比，就能应用在很多场合。

PWM常见输出方式

通过上面描述，PWM就是一个IO口以不同的时间周期输出高、低电平。

1.新手（菜鸟）级别

while循环中，阻塞延时，控制IO口高低输出：

while(1)
{
  IO口高电平
  Delay阻塞延时
  IO口低电平
  Delay阻塞延时
}

阻塞延时可以是：软件模拟延时，定时器阻塞延时等。

2.入门（初级）级别

while循环中，非阻赛延时，控制IO口高低输出：

while(1)
{
  IO口高电平
  Delay非阻塞延时
  IO口低电平
  Delay非阻塞延时
}

非阻赛延时可以是：定时器标识检测、RTOS（系统）延时等。

3.熟悉（中级）级别

定时器中断控制IO高低电平输出：

定时器中断配置 ——> 启动定时器 ——> 响应中断，控制IO高低电平···

4.熟练（中级+）级别

定时器PWM硬件控制输出：

配置PWM对应的IO，以及定时器PWM输出 ——> 启动PWM自动输出···

void AppTask(void *p_arg)
{
  PWM_TIM_Configuration();


  PWM_Output(频率, 占空比);


  while(1)
  {
    //自己的应用代码
  }
}

比较：

上面几种PWM输出方式，前面三种都会CPU干预PWM的输出，也就是会占用CPU资源，特别是前面两种方式，不仅占用CPU，误差还比较大。

使用第三种中断方式，如果频率比较高，CPU消耗的也比较严重。这种情况适合于没有硬件PWM输出的单片机。

第四种就是单片机自带硬件PWM输出功能，只需要简单配置就可以自动输出PWM波形，无需CPU干预。

硬件输出PWM例子

这里以大家熟悉的STM32F1为例：为大家简单分享一下硬件定时器输出PWM波形。

PWM定时器相关宏定义：

//定时器计数时钟(1M次/秒)
#define PWM_COUNTER_CLOCK         1000000


//预分频值(与系统时钟、计数值有关)
#define PWM_PRESCALER_VALUE       (SystemCoreClock/PWM_COUNTER_CLOCK - 1)

PWM配置：

/**
  * @brief  定时器PWM输出配置
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void PWM_TIM_Configuration(void)
{
  GPIO_InitTypeDef        GPIO_InitStructure;
  TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
  TIM_OCInitTypeDef       TIM_OCInitStructure;


  /* 时钟配置 */
  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);


  /* 引脚配置 */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_0;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);


  /* 时基配置 */
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = PWM_PRESCALER_VALUE;         //预分频值
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;        //向上计数
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;                         //定时周期(暂定值)
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;            //分频因子
  TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);


  /* PWM模式配置 */
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;                  //输出PWM1模式
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;      //使能输出
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;                                 //脉宽值(暂定值)
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;          //输出极性(TIM_OC1对应通道1)
  TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
}

PWM输出函数接口：

/**
  * @brief  输出PWM
  * @param  Frequency:频率
            Dutycycle:占空比
  * @retval 无
  */
void PWM_Output(uint32_t Frequency, uint32_t Dutycycle)
{
  uint32_t tim_period;
  uint32_t tim_pulse;


  tim_period = PWM_COUNTER_CLOCK/Frequency - 1;                      //计算出计数周期(决定输出的频率)
  tim_pulse  = (tim_period + 1)*Dutycycle / 100;                     //计算出脉宽值(决定PWM占空比)


  TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);                                            //失能TIM
  TIM_SetCounter(TIM2, 0);                                           //计数清零
  TIM_SetAutoreload(TIM2, tim_period);                               //更改频率
  TIM_SetCompare1(TIM2, tim_pulse);                                  //更改占空比(TIM_SetCompare1对应通道1)
  TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);                                             //使能TIM
}

初始化配置，调用函数接口，直接就输出PWM波形了：

void AppTask(void *p_arg)
{
  PWM_TIM_Configuration();


  PWM_Output(1000, 20);


  while(1)
  {
    //自己的应用代码
  }
}

输出PWM波形：

说明：

本例使用的是STM32标准外设库，如果要深入理解其中原理，还是建议使用标准外设库。

当然，如果想要快速使用PWM这个功能，不想理解其原理，可以直接使用STM32CubeMX配置生成代码：

配置注意事项

想要更加精确控制，并更加满足应用层的需求，就需要自己一步一步深入了解原理。

下面说几点常见的问题吧。

1.引脚映射

如果你使用的引脚需要映射，就需要配置对应的参数。

比如：STM32F1使用PB11（需要查看数据手册）：

需要增加对应的“映射”代码：

//复用功能
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);


//定时器（PWM）引脚映射
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_FullRemap_TIM2, ENABLE);

2.频率和占空比精度

如果使用32位定时器的话，频率范围更宽、精度也可以达到更高。比如：频率：0.01Hz、 占空比0.01%等。

如果是16位的话，其中的参数都不能超过16位（65535）：

#define PWM_COUNTER_CLOCK         1000000
#define PWM_PRESCALER_VALUE       (SystemCoreClock/PWM_COUNTER_CLOCK - 1)


tim_period = PWM_COUNTER_CLOCK/Frequency - 1;                      //计算出计数周期(决定输出的频率)
tim_pulse  = (tim_period + 1)*Dutycycle / 100;                     //计算出脉宽值(决定PWM占空比)

具体可根据自己情况进行配置，比如PWM（定时器）计数时钟、分频值等。

实际应用代码，建议增加各个参数的判断，以防越界（这里为了方便理解，就写的比较简单）。

3.移植代码注意通道

很多人移植别人代码，总说有问题、不能运行等。其实，有一些细节地方根本就没有修改过来，比如这里的想说的通道。

比如：你从这里的PA0（TIM2通道1），更换为PB11（TIM2通道4），与之对应的“通道”函数也需要修改。

如：

TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
TIM_SetCompare1(TIM2, tim_pulse);

改为：

TIM_OC4Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
TIM_SetCompare4(TIM2, tim_pulse);

写的好的代码，应该宏定义函数接口，比如：

#define PWM_TIMx               TIM2
#define PWM_TIM_CLK            RCC_APB1Periph_TIM2         //源代码须对应APB1、APB2
#define PWM_TIM_GPIO_CLK       RCC_APB2Periph_GPIOB
#define PWM_TIM_PIN            GPIO_Pin_11
#define PWM_TIM_GPIO_PORT      GPIOB
#define PWM_TIM_OCxInit        TIM_OC4Init                 //比较输出通道(与引脚相关)
#define PWM_TIM_SetComparex    TIM_SetCompare4             //设置比较值(占空比)

4.更多

STM32都有硬件PWM输出功能，但不同的系列，其配置可能略有一些差异，简单参考官方例程以及手册。

现在大部分单片机都自带有硬件PWM输出功能，硬件的好处就是不用CPU干预。如果没有，可以尝试上面说的定时器中断的方式。

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