MCU微課堂

CKS32F107xx TIM（二）

第四十七期 2024.11.01

PWM模式簡(jiǎn)介

從上節(jié)課的定時(shí)器分類(lèi)圖中我們了解到，互補(bǔ)輸出是高級(jí)定時(shí)器（TIM1、TIM8）所獨(dú)有的，它可以輸出兩路互補(bǔ)信號(hào)。而在本節(jié)課中我們將通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例程去介紹如何配置互補(bǔ)PWM輸出，同時(shí)為了演示在電機(jī)控制領(lǐng)域的入門(mén)應(yīng)用，該例程也增加了剎車(chē)和死區(qū)插入的功能。因此，接下來(lái)我們將先對(duì)PWM模式、互補(bǔ)輸出、死區(qū)插入、剎車(chē)功能這四個(gè)概念作簡(jiǎn)要介紹，然后通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)例程來(lái)演示PWM輸出配置方法。

比較輸出是通過(guò)比較計(jì)數(shù)器CNT和捕獲/比較寄存器CCR的關(guān)系，來(lái)對(duì)輸出電平進(jìn)行置1、置0或翻轉(zhuǎn)的操作，而PWM模式輸出的是一種脈沖寬度可調(diào)的方波信號(hào)，同時(shí)也是定時(shí)器（高級(jí)和通用）比較輸出模式中較為常用的一種，我們可以通過(guò)捕獲/比較模式寄存器CCMRx的位OCxM[2:0]來(lái)配置輸出。表1羅列了PWM1和PWM2的區(qū)別，并通過(guò)PWM1邊沿對(duì)齊的波形示例圖來(lái)簡(jiǎn)述下PWM輸出的原理。

表1 PWM1和PWM2模式區(qū)別

圖1 邊沿對(duì)齊的PWM1波形（TIMx_ARR=8）

如上圖所示，當(dāng)CNT < CCR時(shí)，參考信號(hào)OCxREF輸出為高，則通道OCx輸出1；當(dāng)CCR <= CNT <= ARR時(shí)，參考信號(hào)OCxREF輸出為低，則通道OCx輸出0。并且當(dāng)計(jì)數(shù)器CNT與比較寄存器CCR值匹配時(shí)，比較中斷寄存器CCxIF位會(huì)自動(dòng)由硬件置 1；而CNT計(jì)數(shù)達(dá)到ARR的值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生上溢事件，并且自動(dòng)清零，然后重新向上計(jì)數(shù)，如此循環(huán)往復(fù)。因此，我們可以通過(guò)修改ARR和CCR的值來(lái)靈活調(diào)整PWM波形的頻率和占空比。

定時(shí)器產(chǎn)生PWM 輸出，除了上節(jié)課提到的ARR、PSC、CNT，不得不提的還有捕獲/比較模式寄存器CCMR。該寄存器共有兩個(gè)，CCMR1（控制輸出通道1和2）和CCMR2（控制輸出通道3和4），且上面一層對(duì)應(yīng)比較輸出，下面一層對(duì)應(yīng)輸入捕獲，輸入捕獲模式將在下節(jié)課中介紹。由于本節(jié)課介紹的是互補(bǔ)PWM輸出，所以模式設(shè)置位OCxM[2:0]，必須設(shè)置為110/111，對(duì)應(yīng)PWM1/PWM2，兩者區(qū)別是極性相反。下圖是CCMR1寄存器各位描述圖，具體請(qǐng)參照CKS32F107xx參考手冊(cè)。

圖2 CCMR1寄存器各位描述圖、

互補(bǔ)輸出和死區(qū)插入簡(jiǎn)介

接下來(lái)將先通過(guò)捕獲/比較通道的輸出概覽圖來(lái)展現(xiàn)輸出控制過(guò)程。

圖3 捕獲/比較通道的輸出部分（通道CH1~CH3）

如上圖，紅框中是CNT和CCR比較，輸出參考信號(hào)OCxREF，銜接上文。綠框表明參考信號(hào)OCxREF在經(jīng)過(guò)死區(qū)發(fā)生器之后會(huì)產(chǎn)生兩路帶死區(qū)的互補(bǔ)信號(hào)OCx_DT和OCxN_DT，并且需要特別說(shuō)明下，高級(jí)定時(shí)器（TIM1、TIM8）只有通道CH1~CH3才有互補(bǔ)信號(hào)。藍(lán)框是輸出控制電路，若沒(méi)有死區(qū)控制，則進(jìn)入的信號(hào)即為OCxREF，且進(jìn)入的信號(hào)會(huì)被分成極性相反的兩路，并由寄存器CCER的位CCxP和CCxNP控制極性，由CxE和CCxNP位使能輸出。若增加了剎車(chē)功能，則寄存器BDTR的位MOE、OSSI和OSSR將共同影響輸出信號(hào)。

關(guān)于死區(qū)插入，其中一個(gè)較為典型的應(yīng)用就是半橋驅(qū)動(dòng)電路，比如上個(gè)時(shí)態(tài)MOS管M1導(dǎo)通，MOS管M2截止，下一時(shí)態(tài)需要M1截止，M2導(dǎo)通，由于工藝限制MOS管的關(guān)閉不能忽略不計(jì)，這就會(huì)導(dǎo)致M1和M2有同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)間，進(jìn)而損壞電路，所以可將M1關(guān)閉后等待一段時(shí)間再打開(kāi)M2，這段時(shí)間可稱為死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間是通過(guò)寄存器BDTR的位DTG[7:0]來(lái)配置，死區(qū)時(shí)間的大小需要根據(jù)輸出通道相連接的器件特性來(lái)調(diào)整。下圖為帶死區(qū)插入的互補(bǔ)輸出圖，相信這樣能大家有個(gè)更為直觀的了解。

圖4 帶死區(qū)插入的互不輸出

剎車(chē)功能簡(jiǎn)介

電路控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)出現(xiàn)異常時(shí)，若用軟件來(lái)關(guān)閉信號(hào)輸出，出于軟件延時(shí)的影響，可能帶來(lái)不必要的后果。在此工況下，高級(jí)定時(shí)器中的剎車(chē)功能能發(fā)揮特定優(yōu)勢(shì)，用戶只要將檢測(cè)端連接到TIMx_BKIN引腳，當(dāng)檢測(cè)到非正常態(tài)，由硬件電路立刻關(guān)閉信號(hào)輸出，電機(jī)即可停止轉(zhuǎn)動(dòng)。剎車(chē)功能是一種硬件保護(hù)保護(hù)，用戶需要配置剎車(chē)和死區(qū)寄存器BDTR，該寄存器各位描述如下：

圖5 BDTR寄存器各位描述圖

互補(bǔ)PWM輸出配置實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)以高級(jí)定時(shí)器TIM1為例，并參照CKS32F107xx數(shù)據(jù)手冊(cè)的引腳定義章節(jié)，分配了OC1（PA8）、OC1N（PB13）和BKIN（PB12）引腳。若我們?cè)诠こ讨羞x擇BKIN引腳高電平有效，那么當(dāng)BKIN引腳被置高時(shí)，兩路互補(bǔ)PWM信號(hào)立刻停止輸出。主要的編程要點(diǎn)如下。

1、開(kāi)啟GPIO時(shí)鐘，配置引腳

要使用GPIOA、GPIOB的相關(guān)引腳，需要開(kāi)啟端口時(shí)鐘，調(diào)用的函數(shù)為：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

因?yàn)橐獙⑵胀℅PIO復(fù)用到定時(shí)器的相關(guān)引腳，所以要配置GPIO工作模式，示例代碼如下，以PA8配置為例，PB13和PB12配置雷同：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

2、TIM1時(shí)基結(jié)構(gòu)體設(shè)置

鑒于前一章節(jié)已詳述過(guò)，這里僅做代碼演示，針對(duì)TIM1時(shí)基初始化示例代碼格式如下：

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler= 8;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=7;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;

TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);

根據(jù)前文定時(shí)時(shí)間的描述，當(dāng)TIM1工作時(shí)鐘配置為72MHz時(shí)，那么示例代碼中配置的中斷次時(shí)間為：（8+1）*(7+1) / 72000000 = 1us，則PWM輸出的頻率為1MHz。

3、TIM1輸出比較結(jié)構(gòu)體設(shè)置

通過(guò)配置TIM1_CCMR1的相關(guān)位來(lái)設(shè)置TIM1_CH1的PWM模式。在庫(kù)函數(shù)中，PWM通道設(shè)置是通過(guò)函數(shù)TIM_OC1Init()~TIM_OC4Init()來(lái)設(shè)置的，不同通道的設(shè)置函數(shù)不一樣，使用時(shí)需要注意區(qū)分，這里我們選用CH1通道和CH1N通道，選用的庫(kù)函數(shù)如下：

void TIM_OC1Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct)；

輸出比較結(jié)構(gòu)體在庫(kù)函數(shù)中對(duì)應(yīng)名稱為T(mén)IM_OCInitTypeDef，下面是結(jié)構(gòu)體的定義：

typedef struct

{

uint16_t TIM_OCMode;

uint16_t TIM_OutputState;

uint16_t TIM_OutputNState;

uint16_t TIM_Pulse;

uint16_t TIM_OCPolarity;

uint16_t TIM_OCNPolarity;

uint16_t TIM_OCIdleState;

uint16_t TIM_OCNIdleState;

} TIM_OCInitTypeDef;

參數(shù)TIM_OCMode是用來(lái)設(shè)置比較輸出模式，這里我們選用PWM1模式。

參數(shù)TIM_OutputState和TIM_OutputNState用來(lái)配置OCx和OcxN通道輸出使能。

參數(shù)TIM_Pulse是設(shè)置比較寄存器CCR的值，決定脈沖寬度，對(duì)應(yīng)PWM1的占空比。

參數(shù)OCPolarity和TIM_OCNPolarity是設(shè)置OCx和OcxN通道極性，我們可以選擇高電平或低電平有效。

參數(shù)TIM_OCNIdleState和TIM_OCNIdleState是設(shè)置空閑狀態(tài)時(shí)OCx和OcxN通道輸出的電平。

針對(duì)TIM1輸出比較結(jié)構(gòu)體初始化示例如下：

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;

TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 4;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;

TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Reset;

TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);

TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);

在該示例中，設(shè)置了工作模式PWM1，使能了OCx和OcxN通道，配置了脈沖寬度、輸出極性和空閑狀態(tài)下的輸出電平，所以PWM1的占空比為：CCR / (ARR + 1) = 50%。

4、TIM1斷路和死區(qū)結(jié)構(gòu)體設(shè)置

我們?cè)趲?kù)函數(shù)中設(shè)置剎車(chē)和死區(qū)參數(shù)是通過(guò)函數(shù)TIM_BDTRCon?g來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)體TIM_BDTRInitTypeDef中列出了各個(gè)成員，以下是結(jié)構(gòu)體的定義：

Typedefstruct

{

uint16_tTIM_OSSRState;

uint16_tTIM_OSSIState;

uint16_tTIM_LOCKLevel;

uint16_tTIM_DeadTime;

uint16_tTIM_Break;

uint16_tTIM_BreakPolarity;

uint16_tTIM_AutomaticOutput;

}TIM_BDTRInitTypeDef;

這里結(jié)構(gòu)體中的成員可以對(duì)照上文BDTR寄存器的各位來(lái)理解，在此不再贅述，本實(shí)驗(yàn)中我們針對(duì)TIM1斷路和死區(qū)結(jié)構(gòu)體初始化示例如下：

TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_1;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 11;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Enable;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High;

TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable;

TIM_BDTRConfig(TIM1, &TIM_BDTRInitStructure);

在該示例中，配置的死區(qū)時(shí)間為11 / 72000000 = 152ns，配置BKIN引腳為高電平有效。

5、使能TIM1和主輸出

因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是互補(bǔ)PWM輸出，所以除了要開(kāi)啟定時(shí)器，也要對(duì)定時(shí)器主輸出進(jìn)行使能，配置示例如下：

TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);

TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);

6、修改TIM1_CCR1來(lái)調(diào)整占空比

實(shí)際使用時(shí)，用戶需要控制占空比來(lái)調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，我們能通過(guò)修改TIM1_CCR1則可以控制CH1的輸出占空比。在庫(kù)函數(shù)中，修改TIM1_CCR1占空比的函數(shù)是：

void TIM_SetCompare1(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare1)；

同樣的，對(duì)于其他三個(gè)通道，也有如下對(duì)應(yīng)函數(shù)供調(diào)用，用戶使用時(shí)注意區(qū)分即可。

void TIM_SetCompare2(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare2)；

void TIM_SetCompare3(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare3)；

void TIM_SetCompare4(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare4)；

只要按照上述配置，用戶在主函數(shù)中調(diào)用即可，我們示波器的兩個(gè)輸入通道分別接PA8、PB13引腳，可觀測(cè)到兩路互補(bǔ)帶死區(qū)插入的PWM波形，頻率為1MHz，占空比默認(rèn)為50%（用戶可自行調(diào)整），死區(qū)時(shí)間為152ns左右。

如果將BKIN引腳拉高，可觀測(cè)到輸出信號(hào)立刻停止，若松開(kāi)則恢復(fù)默認(rèn)輸出。

至此，本實(shí)驗(yàn)已介紹完畢。