基于STM32定時(shí)器的PWM實(shí)驗(yàn)教學(xué)

文/田德永

嵌入式課程是高職院校物聯(lián)網(wǎng)、電子、通信等專業(yè)一門重要課程。STM32是高職院校中嵌入式課程中常采用的開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)芯片。在STM32教學(xué)中，STM32的定時(shí)器和PWM的實(shí)驗(yàn)是很重要而又比較難于理解的知識(shí)點(diǎn)。STM32定時(shí)器功能豐富，但配置復(fù)雜，只有通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)深入分析，才能幫助初學(xué)的高職院校學(xué)生更加易于理解和掌握STM32定時(shí)器產(chǎn)生PWM功能。

1 STM32定時(shí)器認(rèn)知教學(xué)

STM32定時(shí)器比較復(fù)雜，涉及到的配置很多，許多知識(shí)點(diǎn)學(xué)生難于掌握。對(duì)于高職院校學(xué)生，理解主要原理，掌握基本配置即可，面面俱到學(xué)生反而難于把握。

學(xué)生需要理解定時(shí)器是如何產(chǎn)生定時(shí)的。開(kāi)始接觸定時(shí)器的高職院校學(xué)生，對(duì)定時(shí)的理解只是停留在宏觀層面上,他們可能知道秒表定時(shí)，鬧鐘定時(shí)等，而對(duì)電子元件的定時(shí)器定時(shí)功能，是比較模糊的。實(shí)際上，定時(shí)器本質(zhì)上是計(jì)數(shù)器，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)，達(dá)到定時(shí)的功能，因?yàn)槊}沖包含了時(shí)間信息。如圖1，假設(shè)一個(gè)脈沖是周期是1ms，那么如果計(jì)數(shù)了5次，那么就可以得到5ms的時(shí)間，即如果設(shè)置計(jì)數(shù)5次，就相當(dāng)可以定時(shí)5ms。因此，只要知道計(jì)數(shù)次數(shù)及所計(jì)脈沖的頻率或周期，就可以換算出定時(shí)時(shí)間。

STM32定時(shí)器資源比較豐富，有通用定時(shí)器、高級(jí)定時(shí)器、基本定時(shí)器等。盡管STM32定時(shí)器比較復(fù)雜，但只要抓住定時(shí)器計(jì)數(shù)次數(shù)，以及計(jì)數(shù)的脈沖周期或頻率這兩條線索，就容易理解STM32定時(shí)器的定時(shí)原理。STM32可以選擇內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)（CK_INT）進(jìn)行分頻后再進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，即通過(guò)設(shè)置分頻系數(shù)TIMx_PSC進(jìn)行分頻。定時(shí)器時(shí)鐘頻率用CK_CNT表示，則他們關(guān)系為：

若設(shè)定時(shí)器定時(shí)時(shí)間周期為T_t s，定時(shí)器的計(jì)數(shù)次數(shù)為T_count，則與分頻系數(shù)之間的關(guān)系可得：

由此可知，STM32定時(shí)器的定時(shí)周期由三個(gè)因素決定：系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)周期、定時(shí)器分頻系數(shù)的值和定時(shí)器初始值即計(jì)數(shù)值。

2 STM32定時(shí)器輸出的PWM

PWM輸出的是高低電平的開(kāi)關(guān)量。很多的控制技術(shù)，就是采用PWM控制。PWM（Pulse Width Modulating）稱為脈沖寬度調(diào)制。是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，簡(jiǎn)而言之，就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行控制。學(xué)生要理解PWM的占空比概念。占空比就是一個(gè)PWM周期內(nèi)，高電平時(shí)長(zhǎng)占周期的百分比。對(duì)脈寬控制，也就是對(duì)占空比的控制。學(xué)生也要知道PWM在STM32中是如何產(chǎn)生的。STM32產(chǎn)生的PWM是通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生，通過(guò)捕獲/比較輸出通道輸出。一般定時(shí)器有四個(gè)捕獲/比較輸出通道，因此，除了要對(duì)定時(shí)器進(jìn)行配置外，還要配置通道，配置輸出的GPIO口。STM32有高級(jí)定時(shí)器和通用定時(shí)器進(jìn)行產(chǎn)生PWM。輸出的占空比可由ST公司固件庫(kù)函數(shù)提供進(jìn)行設(shè)置。

TIM_SetCompare3(TIM_TypeDef* TIMx,u16 Compare3)是ST公司的提供的固件函數(shù)之一，它的功能是設(shè)置 TIMx 捕獲比較寄存器值。定時(shí)器TIMx通過(guò)通道3與compare3值比較輸出PWM。定時(shí)器產(chǎn)生的PWM輸出如圖2所示，因此，控制compare3參數(shù)值就可控制脈沖寬度，控制占空比。學(xué)生需充分理解參數(shù)字的含義。定時(shí)器計(jì)數(shù)值N決定了PWM輸出周期，compare3決定了PWM的占空比。

圖1：定時(shí)器原理示意圖

圖2：定時(shí)器輸出PWM原理示意圖

圖3：模擬電路控制LED燈實(shí)驗(yàn)電路

圖4：PWM輸出控制LED實(shí)驗(yàn)電路原理圖

3 PWM實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了更好地讓學(xué)生理解PWM原理及其控制效果，設(shè)計(jì)PWM控制LED發(fā)光現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)，使用外圍硬件電路比較少，易于實(shí)現(xiàn)?？梢允褂肔ED亮度控制及呼吸燈實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，主要是讓學(xué)生能理解PWM的作用。

3.1 模擬電路控制LED燈亮度效果

為了和PWM控制LED燈效果作比較，搭建如圖3的模擬電路。電源兩端直接用滑動(dòng)變阻器Rp串接LED燈，當(dāng)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rp時(shí)，隨著流過(guò)LED電流變化會(huì)明顯的變亮或變暗，這在很多模擬電路中調(diào)節(jié)常用的方式。很明顯，這是模擬電路控制的方式。

3.2 用STM32定時(shí)器PWM控制LED燈亮度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

我們把圖3電路換成圖4電路，LED燈不變。前面說(shuō)過(guò)，PWM輸出是周期性的高低電平開(kāi)關(guān)量，對(duì)于這點(diǎn)，學(xué)生是易于理解的。

在配置定時(shí)器時(shí)，我們可以先讓讓其頻率足夠小，周期足夠大，占空比為50%，當(dāng)接上LED燈時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)，燈在不停的閃爍，這驗(yàn)證了PWM是開(kāi)關(guān)量，輸出是高低電平開(kāi)關(guān)量。

當(dāng)設(shè)置定時(shí)器周期足夠小時(shí)，占空比不變，會(huì)發(fā)現(xiàn)LED亮度達(dá)到最亮?xí)r的一半不再閃爍的現(xiàn)象，和圖3的電路效果一樣。這是因?yàn)槿说难劬?duì)圖像(光線)的視覺(jué)暫留的特點(diǎn)，也稱為人眼的余輝效應(yīng)，才有如此效果。要讓學(xué)生明白的是，圖3是模擬電路控制，而圖4是PWM是數(shù)字控制，對(duì)比可見(jiàn)，PWM能控制模擬電路，達(dá)到一樣效果。

在定時(shí)器輸出PWM頻率不變情況下，讓程序更改PWM占空比，即修改比較輸出函數(shù)TIM_SetCompare3第二個(gè)參數(shù)，用示波器觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)波形高電平在周期內(nèi)不斷擴(kuò)展和收縮，反應(yīng)到LED燈上可得到呼吸燈的效果。這正反應(yīng)數(shù)字信號(hào)便于控制，很好的把數(shù)字信號(hào)控制轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)的PWM例子。

4 結(jié)束語(yǔ)

PWM輸出從處理器到被控制裝置信號(hào)都是數(shù)字形式，是實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換和精確脈沖序列輸出的有效手段,PWM在各個(gè)控制領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。在采用STM32芯片的嵌入式課程中，在進(jìn)行定時(shí)器PWM教學(xué)時(shí)，要逐步引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會(huì)PWM產(chǎn)生的原理和控制作用?？梢圆捎枚鄠€(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)比，幫助學(xué)生對(duì)PWM開(kāi)關(guān)量控制模擬系統(tǒng)而不需數(shù)模轉(zhuǎn)換的理解，提高高職院校學(xué)生嵌入式技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用能力。