前言
在之前的內容中已經介紹過基本的 Timer 用法，及 PWM 的計算。
在使用 PWM 時我們會需要控制兩種參數：頻率與 Duty Cycle（佔空比）。頻率的部分和 Timer 一樣，由 TIMx_PSC 與 TIMx_ARR 暫存器的值來設定，而 Duty Cycle 則由 TIMx_CCRx 暫存器來指定。
這篇的目標是寫出一個可以設定 PWM 頻率與 Duty Cycle 的程式，並讓 STM32 輸出 PWM 訊號。
正文
首先一樣以 Nucleo-F446RE 做示範。
首先建立一個 PIO 的專案，選擇 Framework 為「libopencm3」，並在 src/ 資料夾中新增並開啓 main.c 檔案。
完整程式
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#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/timer.h>
#define PWM_GOAL_FREQUENCY (1000)
#define PWM_GOAL_DUTY_CYCLE (72.5)
#define PWM_TIMER_CLOCK (rcc_apb1_frequency * 2)
#define PWM_COUNTER_CLOCK (1000000)
#define PWM_TIMER_PRESCALER (PWM_TIMER_CLOCK / PWM_COUNTER_CLOCK - 1)
#define PWM_TIMER_PERIOD (((PWM_TIMER_CLOCK) / ((PWM_TIMER_PRESCALER + 1) * PWM_GOAL_FREQUENCY)) - 1)
#define PWM_TIMER_OC_VALUE ((PWM_TIMER_PERIOD + 1) * PWM_GOAL_DUTY_CYCLE / 100)
#define RCC_PWM_GPIO (RCC_GPIOA)
#define GPIO_PWM_PORT (GPIOA)
#define GPIO_PWM_PIN (GPIO7)
#define GPIO_PWM_AF (GPIO_AF2)
static void rcc_setup(void)
{
rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_168MHZ]);
rcc_periph_clock_enable(RCC_PWM_GPIO);
rcc_periph_clock_enable(RCC_TIM3);
rcc_periph_reset_pulse(RST_TIM3);
}
static void pwm_setup(void)
{
gpio_mode_setup(GPIO_PWM_PORT, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PWM_PIN);
gpio_set_output_options(GPIO_PWM_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PWM_PIN);
gpio_set_af(GPIO_PWM_PORT, GPIO_PWM_AF, GPIO_PWM_PIN);
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_value(TIM3, TIM_OC2, PWM_TIMER_OC_VALUE);
timer_set_oc_mode(TIM3, TIM_OC2, TIM_OCM_PWM1);
timer_enable_oc_output(TIM3, TIM_OC2);
timer_enable_counter(TIM3);
}
int main(void)
{
rcc_setup();
pwm_setup();
while (1)
{ }
return 0;
}
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分段說明
Include
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| #include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/stm32/timer.h>
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和 Timer 時相比只少了中斷的 nvic.h，要使用 PWM 就只需要這 3 個功能就可以了。
計算並設計 Timer 參數（PSC、ARR、CCR 暫存器）
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| #define PWM_GOAL_FREQUENCY (1000)
#define PWM_GOAL_DUTY_CYCLE (72.5)
#define PWM_TIMER_CLOCK (rcc_apb1_frequency * 2)
#define PWM_COUNTER_CLOCK (1000000)
#define PWM_TIMER_PRESCALER (PWM_TIMER_CLOCK / PWM_COUNTER_CLOCK - 1)
#define PWM_TIMER_PERIOD (((PWM_TIMER_CLOCK) / ((PWM_TIMER_PRESCALER + 1) * PWM_GOAL_FREQUENCY)) - 1)
#define PWM_TIMER_OC_VALUE ((PWM_TIMER_PERIOD + 1) * PWM_GOAL_DUTY_CYCLE / 100)
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這部分的 PWM_TIMER_CLOCK、PWM_COUNTER_CLOCK、PWM_TIMER_PRESCALER(PSC)、 PWM_TIMER_PERIOD(ARR) 和 Timer 的部分一樣，就不再贅述。
這次的重點是 CCR 暫存器。在上一篇中已經說明其關係式為：
Duty_Cycle% = CCR / (ARR + 1) * 100%
所以
CCR = (ARR + 1) * Duty_Cycle% / 100%
因此這裡以 PWM_TIMER_OC_VALUE 為名定義 CCR 的計算公式 (PWM_TIMER_PERIOD + 1) * PWM_GOAL_DUTY_CYCLE / 100。
RCC
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| static void rcc_setup(void)
{
rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_168MHZ]);
rcc_periph_clock_enable(RCC_PWM_GPIO);
rcc_periph_clock_enable(RCC_TIM3);
rcc_periph_reset_pulse(RST_TIM3);
}
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這部分還是和 Timer 一樣。重點一樣是指定時鐘源為 8 MHz 的 HSE，並設定系統時鐘為 168 MHz。
PWM 與 Timer 設定
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| static void pwm_setup(void)
{
gpio_mode_setup(GPIO_PWM_PORT, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PWM_PIN);
gpio_set_output_options(GPIO_PWM_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PWM_PIN);
gpio_set_af(GPIO_PWM_PORT, GPIO_PWM_AF, GPIO_PWM_PIN);
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_value(TIM3, TIM_OC2, PWM_TIMER_OC_VALUE);
timer_set_oc_mode(TIM3, TIM_OC2, TIM_OCM_PWM1);
timer_enable_oc_output(TIM3, TIM_OC2);
timer_enable_counter(TIM3);
}
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要使 GPIO 可以輸出 PWM 訊號的話，要將 Timer 的 Channel 對應的 GPIO 設定為 Alternate function。我們使用 TIM3 的 Channel 2。
Timer 大部分的設定都和和上一篇的一樣，主要差異為要使用 timer_set_oc_mode() 指定使用 Channel 2（TIM_OC2），並設定為 TIM_OCM_PWM1 模式。
使用 timer_set_oc_value() 函式將 CCR 的值傳給 TIMx_CCRx 暫存器。
多環境程式（F446RE + F103RB）
由於 STM32F1 的部分函式不同，所以 F103RB 沒辦法直接使用上面的 F446RE 的程式。
以下列出主要的差異部分，也就是 RCC 與 GPIO 的部分。完整的程式請看 GitHub repo。
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| static void rcc_setup(void)
{
#if defined(STM32F1)
rcc_clock_setup_in_hse_8mhz_out_72mhz();
#elif defined(STM32F4)
rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_168MHZ]);
#endif
rcc_periph_clock_enable(RCC_PWM_GPIO);
rcc_periph_clock_enable(RCC_TIM3);
rcc_periph_reset_pulse(RST_TIM3);
}
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| static void pwm_setup(void)
{
#if defined(NUCLEO_F103RB)
gpio_set_mode(GPIO_PWM_PORT,
GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ,
GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_PUSHPULL,
GPIO_PWM_PIN);
#else
gpio_mode_setup(GPIO_PWM_PORT, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PWM_PIN);
gpio_set_output_options(GPIO_PWM_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PWM_PIN);
gpio_set_af(GPIO_PWM_PORT, GPIO_PWM_AF, GPIO_PWM_PIN);
#endif
}
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成果
我使用兩組開發板並分別設定為頻率 1kHz, Duty Cycle 72.5% 以及頻率 2kHz, Duty Cycle 15.0%。
可以看到 PWM 的輸出結果是相當精準的。
小結
這次介紹了 STM32 的 PWM 用法，PWM 是 Timer 的延伸功能，因此大部分的設定都和 Timer 有關，如果 Timer 有理解的話 PWM 應該不會太難。
參考資料
本文的程式也有放在 GitHub 上。
本文同步發表於 iT 邦幫忙-2022 iThome 鐵人賽。