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 爲「libopencm3」，並在 src/ 資料夾中新增並開啓 main.c 檔案。
完整程式
1/**
2 * @file main.c
3 * @brief PWM(Pulse-width modulation) example for STM32 Nucleo-F446RE.
4 */
5
6#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
7#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
8#include <libopencm3/stm32/timer.h>
9
10#define PWM_GOAL_FREQUENCY (1000) /* f_goal, PWM goal frequency in Hz. */
11#define PWM_GOAL_DUTY_CYCLE (72.5) /* dc_goal, PWM goal duty-cycle in %. */
12
13#define PWM_TIMER_CLOCK (rcc_apb1_frequency * 2) /* f_timer. */
14#define PWM_COUNTER_CLOCK (1000000) /* f_counter (CK_CNT). */
15
16#define PWM_TIMER_PRESCALER (PWM_TIMER_CLOCK / PWM_COUNTER_CLOCK - 1) /* PSC. */
17#define PWM_TIMER_PERIOD (((PWM_TIMER_CLOCK) / ((PWM_TIMER_PRESCALER + 1) * PWM_GOAL_FREQUENCY)) - 1) /* ARR. */
18#define PWM_TIMER_OC_VALUE ((PWM_TIMER_PERIOD + 1) * PWM_GOAL_DUTY_CYCLE / 100) /* CCR. */
19
20#define RCC_PWM_GPIO (RCC_GPIOA)
21#define GPIO_PWM_PORT (GPIOA)
22#define GPIO_PWM_PIN (GPIO7) /* D11. */
23#define GPIO_PWM_AF (GPIO_AF2) /* Ref: Table-11 in DS10693. */
24
25static void rcc_setup(void)
26{
27 rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_168MHZ]);
28
29 rcc_periph_clock_enable(RCC_PWM_GPIO);
30 rcc_periph_clock_enable(RCC_TIM3);
31 rcc_periph_reset_pulse(RST_TIM3); /* Reset TIM3 to defaults. */
32}
33
34static void pwm_setup(void)
35{
36 /* Set PWM pin to alternate function push-pull. */
37 gpio_mode_setup(GPIO_PWM_PORT, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PWM_PIN);
38 gpio_set_output_options(GPIO_PWM_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PWM_PIN);
39 gpio_set_af(GPIO_PWM_PORT, GPIO_PWM_AF, GPIO_PWM_PIN);
40
41 timer_set_mode(TIM3, TIM_CR1_CKD_CK_INT, TIM_CR1_CMS_EDGE, TIM_CR1_DIR_UP);
42 timer_disable_preload(TIM3);
43 timer_continuous_mode(TIM3);
44
45 timer_set_prescaler(TIM3, PWM_TIMER_PRESCALER); /* Setup TIMx_PSC register. */
46 timer_set_period(TIM3, PWM_TIMER_PERIOD); /* Setup TIMx_ARR register. */
47 timer_set_oc_value(TIM3, TIM_OC2, PWM_TIMER_OC_VALUE); /* Setup TIMx_CCRx register. */
48 timer_set_oc_mode(TIM3, TIM_OC2, TIM_OCM_PWM1);
49
50 timer_enable_oc_output(TIM3, TIM_OC2);
51 timer_enable_counter(TIM3);
52}
53
54int main(void)
55{
56 rcc_setup();
57 pwm_setup();
58
59 while (1)
60 { /* Halt. */ }
61 return 0;
62}
分段說明
Include
1#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
2#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
3#include <libopencm3/stm32/timer.h>
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）
1#define PWM_GOAL_FREQUENCY (1000) /* f_goal, PWM goal frequency in Hz. */
2#define PWM_GOAL_DUTY_CYCLE (72.5) /* dc_goal, PWM goal duty-cycle in %. */
3
4#define PWM_TIMER_CLOCK (rcc_apb1_frequency * 2) /* f_timer. */
5#define PWM_COUNTER_CLOCK (1000000) /* f_counter (CK_CNT). */
6
7#define PWM_TIMER_PRESCALER (PWM_TIMER_CLOCK / PWM_COUNTER_CLOCK - 1) /* PSC. */
8#define PWM_TIMER_PERIOD (((PWM_TIMER_CLOCK) / ((PWM_TIMER_PRESCALER + 1) * PWM_GOAL_FREQUENCY)) - 1) /* ARR. */
9#define PWM_TIMER_OC_VALUE ((PWM_TIMER_PERIOD + 1) * PWM_GOAL_DUTY_CYCLE / 100) /* CCR. */
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爲：Duty_Cycle% = CCR / (ARR + 1) * 100%
所以CCR = (ARR + 1) * Duty_Cycle% / 100%
因此這裡以 PWM_TIMER_OC_VALUE 爲名定義 CCR 的計算公式 (PWM_TIMER_PERIOD + 1) * PWM_GOAL_DUTY_CYCLE / 100。
RCC
1static void rcc_setup(void)
2{
3 rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_168MHZ]);
4
5 rcc_periph_clock_enable(RCC_PWM_GPIO);
6 rcc_periph_clock_enable(RCC_TIM3);
7 rcc_periph_reset_pulse(RST_TIM3); /* Reset TIM3 to defaults. */
8}
這部分還是和 Timer 一樣。重點一樣是指定時鐘源爲 8 MHz 的 HSE，並設定系統時鐘爲 168 MHz。
PWM 與 Timer 設定
1static void pwm_setup(void)
2{
3 /* Set PWM pin to alternate function push-pull. */
4 gpio_mode_setup(GPIO_PWM_PORT, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PWM_PIN);
5 gpio_set_output_options(GPIO_PWM_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PWM_PIN);
6 gpio_set_af(GPIO_PWM_PORT, GPIO_PWM_AF, GPIO_PWM_PIN);
7
8 timer_set_mode(TIM3, TIM_CR1_CKD_CK_INT, TIM_CR1_CMS_EDGE, TIM_CR1_DIR_UP);
9 timer_disable_preload(TIM3);
10 timer_continuous_mode(TIM3);
11
12 timer_set_prescaler(TIM3, PWM_TIMER_PRESCALER); /* Setup TIMx_PSC register. */
13 timer_set_period(TIM3, PWM_TIMER_PERIOD); /* Setup TIMx_ARR register. */
14 timer_set_oc_value(TIM3, TIM_OC2, PWM_TIMER_OC_VALUE); /* Setup TIMx_CCRx register. */
15 timer_set_oc_mode(TIM3, TIM_OC2, TIM_OCM_PWM1);
16
17 timer_enable_oc_output(TIM3, TIM_OC2);
18 timer_enable_counter(TIM3);
19}
要使 GPIO 可以輸出 PWM 訊號的話，要將 Timer 的 Channel 對應的 GPIO 設定爲 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，主要差異爲要使用 timer_set_oc_mode() 指定使用 Channel 2（TIM_OC2），並設定爲 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。
1static void rcc_setup(void)
2{
3#if defined(STM32F1)
4 rcc_clock_setup_in_hse_8mhz_out_72mhz();
5#elif defined(STM32F4)
6 rcc_clock_setup_pll(&rcc_hse_8mhz_3v3[RCC_CLOCK_3V3_168MHZ]);
7#endif
8
9 rcc_periph_clock_enable(RCC_PWM_GPIO);
10 rcc_periph_clock_enable(RCC_TIM3);
11 rcc_periph_reset_pulse(RST_TIM3); /* Reset TIM3 to defaults. */
12}
1static void pwm_setup(void)
2{
3 /* Set PWM pin to alternate function push-pull. */
4#if defined(NUCLEO_F103RB)
5 gpio_set_mode(GPIO_PWM_PORT,
6 GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ,
7 GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_PUSHPULL,
8 GPIO_PWM_PIN);
9#else
10 gpio_mode_setup(GPIO_PWM_PORT, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PWM_PIN);
11 gpio_set_output_options(GPIO_PWM_PORT, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PWM_PIN);
12 gpio_set_af(GPIO_PWM_PORT, GPIO_PWM_AF, GPIO_PWM_PIN);
13#endif
14 /* 省略部分程式 */
15}
成果
我使用兩組開發板並分別設定爲頻率 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
- libopencm3/libopencm3-examples
- platformio/platform-ststm32
- STM32F446RE datasheet (DS10693)
- STM32F446xx reference manual (RM0390)
- STM32F103RB datasheet (DS5319)
- STM32 Nucleo-64 board user manual (UM1724)
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。
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