[LibOpenCM3 × STM32教學-4] 輸出PWM並控制Duty Cycle及頻率

我在 2022 年 9 月重新寫了與本文內容相近的文章，建議可以觀看新文章：

前言

LibOpenCM3 是一個 Open-Source 的 ARM Cortex-M3 微控制器底層硬體函式庫，支援包含 STM32 在內的多種微控制器。

本文將以 STM32F103RB（Nucleo F103RB）作為示範，介紹如何使用 LibOpenCM3 寫出 STM32 的 PWM（Pulse-Width Modulation） 功能，並且可以控制頻率與 Duty Cycle（佔空比）。

正文

在 STM32 中，PWM 的功能是由 Timer 所實現的，並藉由設定 CCR（捕獲/比較暫存器） 的值來調整 Duty Cycle。

完整程式

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/**
 * @file   main.c
 * @brief  Basic PWM(Pulse-width modulation) output example.
 */

#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/timer.h>

#define PWM_FREQUENCY (1000)  /* PWM frequency in Hz. */
#define PWM_DUTY_CYCLE (72.5) /* PWM duty-cycle in %. */

/*
 * PER = {f_tim / [(PRS + 1) * f_pwm]} - 1
 *
 * f_pwm: PWM frequency.
 * f_tim: Timer frequency. The value is 'rcc_apb1_frequency * 2' equal 48MHz in this case.
 * PRS:   PWM timer prescaler.
 * PER:   PWM timer period.
 */
#define PWM_TIMER_PRESCALER (48 - 1)
#define PWM_TIMER_PERIOD (((rcc_apb1_frequency * 2) / ((PWM_TIMER_PRESCALER + 1) * PWM_FREQUENCY)) - 1)

void gpio_setup(void)
{
  /* Timer3-Channel2 on PA7 (NUCLEO-F103RB). */
  rcc_periph_clock_enable(RCC_GPIOA);
  gpio_set_mode(GPIOA,
                GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ,
                GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_PUSHPULL,
                GPIO7);
}

/**
 * @brief Setup PWM on Timer3-Channel2.
 */
void pwm_setup(void)
{
  rcc_periph_clock_enable(RCC_TIM3);

  timer_set_mode(TIM3,
                 TIM_CR1_CKD_CK_INT,
                 TIM_CR1_CMS_EDGE,
                 TIM_CR1_DIR_UP);
  timer_disable_preload(TIM3);
  timer_continuous_mode(TIM3);

  timer_set_prescaler(TIM3, PWM_TIMER_PRESCALER);
  timer_set_period(TIM3, PWM_TIMER_PERIOD);

  timer_set_oc_mode(TIM3, TIM_OC2, TIM_OCM_PWM1);
  timer_set_oc_value(TIM3,
                     TIM_OC2,
                     (PWM_TIMER_PERIOD + 1) * (PWM_DUTY_CYCLE / 100.0));

  timer_enable_oc_output(TIM3, TIM_OC2);
  timer_enable_counter(TIM3);
}

int main(void)
{
  /* Setup system clock = 48MHz. */
  rcc_clock_setup_in_hsi_out_48mhz();

  gpio_setup();
  pwm_setup();

  /* Halt. */
  while (1)
  {
    __asm__("nop");
  }

  return 0;
}

程式分段說明

引入函式庫

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#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/timer.h>

除了基本的「RCC」及「GPIO」外，由於 PWM 是透過 Timer 所實現的，所以還要引入「Timer」。

PWM 數值宣告

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#define PWM_FREQUENCY (1000)  /* PWM frequency in Hz. */
#define PWM_DUTY_CYCLE (72.5) /* PWM duty-cycle in %. */

宣告 PWM 的目標頻率及 Duty Cycle 以供後續計算。

PWM 頻率設定

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#define PWM_TIMER_PRESCALER (48 - 1)
#define PWM_TIMER_PERIOD (((rcc_apb1_frequency * 2) / ((PWM_TIMER_PRESCALER + 1) * PWM_FREQUENCY)) - 1)

這裡算是本文的重點之一，也就是如何設定 PWM 的頻率。

首先：

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f_pwm = f_tim / [(PRS + 1) * (PER + 1)]

所以：

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PER = {f_tim / [(PRS + 1) * f_pwm]} - 1

其中：

  • f_pwm: PWM frequency，PWM 的頻率.
  • f_tim: Timer frequency， Timer 的頻率.
  • PRS: Timer prescaler，Timer 的預除頻器數值.
  • PER: Timer period，Timer 的週期數值.

透過時鐘樹（Datasheet P.12, Figure 2. Clock tree）可以知道，我們使用的「Timer 3」的時鐘源是「APB 1」，而在本例中，我們會在主程式呼叫 rcc_clock_setup_in_hsi_out_48mhz() 以將系統時鐘設為 48 MHz，這樣將會一併讓「APB 1」的預除頻器（Prescaler）被設定為「除 2」，所以我們的「APB 1」時鐘頻率為 48 MHz / 2 = 24 MHz。

然而，當「APB 1」的預除頻器不等於「除 1」時，「APB 1」的時鐘會先乘 2 再給「Timer 3」，因此「Timer 3」的時鐘頻率 f_tim 為 24 MHz * 2 = 48 MHz。

最後我將 PRS 設定為 48 - 1，將 PER 以上面的公式帶入。

rcc_apb1_frequency 的數值會在呼叫 rcc_clock_setup_in_hsi_out_48mhz() 時設定。

GPIO 設定

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void gpio_setup(void)
{
  /* Timer3-Channel2 on PA7 (NUCLEO-F103RB). */
  rcc_periph_clock_enable(RCC_GPIOA);
  gpio_set_mode(GPIOA,
                GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ,
                GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_PUSHPULL,
                GPIO7);
}

設定 GPIO 以輸出 PWM 訊號。注意，每個 Timer 的 Channel 能輸出的 GPIO 腳位都不同，像這裡「Timer 3」的「Channel 2」是對應「PA7」，在使用不同 Timer、Channel 時請參考 STM32 Datasheet。

PWM Timer 設定

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void pwm_setup(void)
{
  rcc_periph_clock_enable(RCC_TIM3);

  timer_set_mode(TIM3,
                 TIM_CR1_CKD_CK_INT,
                 TIM_CR1_CMS_EDGE,
                 TIM_CR1_DIR_UP);
  timer_disable_preload(TIM3);
  timer_continuous_mode(TIM3);

  timer_set_prescaler(TIM3, PWM_TIMER_PRESCALER);
  timer_set_period(TIM3, PWM_TIMER_PERIOD);

  timer_set_oc_mode(TIM3, TIM_OC2, TIM_OCM_PWM1);
  timer_set_oc_value(TIM3,
                     TIM_OC2,
                     (PWM_TIMER_PERIOD + 1) * (PWM_DUTY_CYCLE / 100.0));

  timer_enable_oc_output(TIM3, TIM_OC2);
  timer_enable_counter(TIM3);
}

這裡也是本文的重點之一，在這裡設定好要使用的 Timer 及 PWM Duty Cycle。

timer_set_oc_value() 就是改變 CCR 的值，以調整 Duty Cycle。因為我們使用的是「Channel 2」，所以 Output channel 是TIM_OC2。

在 TIM_OCM_PWM1 模式下，想要輸出 X% Duty Cycle 的 PWM，只要把 CCR 的數值也設定成 Timer 週期的 x% 就可以了，也就是 CCR_Value = (PWM_TIMER_PERIOD + 1) * (PWM_DUTY_CYCLE / 100.0)。

最後以 timer_enable_oc_output() 啟動 PWM 的輸出，timer_enable_counter() 啟動整個 Timer。

主程式

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int main(void)
{
  /* Setup system clock = 48MHz. */
  rcc_clock_setup_in_hsi_out_48mhz();

  gpio_setup();
  pwm_setup();

  /* Halt. */
  while (1)
  {
    __asm__("nop");
  }

  return 0;
}

主程式先將系統時鐘設定為 48 MHz，並依序完成 GPIO 及 PWM 的初始化設定，在執行完 pwm_setup() 後就會開始輸出 PWM 了，最後就進入一個無限空迴圈。

成果

▲ 輸出波形圖

可以看到輸出的波形誤差很小（設定值為：Duty Cycle 72.5%，頻率 1 kHz）。

結語

本次的程式我一樣有放在 GitHub 上，可以使用 PlatformIO 開始專案。

若有什麼問題或錯誤歡迎留言討論。

相關連結

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