技術標籤：android 通過串列埠來控制pwm的輸出

1)實驗平臺：alientek 阿波羅 STM32F767 開發板

2)摘自《STM32F7 開發指南(HAL 庫版)》關注官方微訊號公眾號，獲取更多資料：正點原子

第十四章 PWM 輸出實驗

上一章，我們介紹了STM32F4的通用定時器TIM3，用該定時器的中斷來控制DS1的閃爍，

這一章，我們將向大家介紹如何使用 STM32F4 的 TIM3 來產生 PWM 輸出。在本章中，我們將

使用 TIM14 的通道 1 來產生 PWM 來控制 DS0 的亮度。本章分為如下幾個部分：

14.1 PWM 簡介

14.2 硬體設計

14.3 軟體設計

14.4 下載驗證

14.1 PWM 簡介

脈衝寬度調製(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調製，是利用

微處理器的數字輸出來對類比電路進行控制的一種非常有效的技術。簡單一點，就是對脈衝寬

度的控制，PWM 原理如圖 14.1.1 所示：

圖 14.1.1 PWM 原理示意圖

圖 14.1.1 就是一個簡單的 PWM 原理示意圖。圖中，我們假定定時器工作在向上計數 PWM

模式，且當 CNT=CCRx 時輸出 1。那麼就可以得到如上的 PWM

示意圖：當 CNT 值小於 CCRx 的時候，IO 輸出低電平(0)，當 CNT 值大於等於 CCRx 的時候，

IO 輸出高電平(1)，當 CNT 達到 ARR 值的時候，重新歸零，然後重新向上計數，依次迴圈。

改變 CCRx 的值，就可以改變 PWM 輸出的佔空比，改變 ARR 的值，就可以改變 PWM 輸出的

頻率，這就是 PWM 輸出的原理。

STM32F4 的定時器除了 TIM6 和 7。其他的定時器都可以用來產生 PWM 輸出。其中高階

定時器 TIM1 和 TIM8 可以同時產生多達 7 路的 PWM 輸出。而通用定時器也能同時產生多達 4

路的 PWM 輸出！這裡我們僅使用 TIM14 的 CH1 產生一路 PWM 輸出。

要使 STM32F4 的通用定時器 TIMx 產生 PWM 輸出，除了上一章介紹的暫存器外，我們還

會用到 3 個暫存器，來控制 PWM 的。這三個暫存器分別是：捕獲/比較模式暫存器

(TIMx_CCMR1/2)、捕獲/比較使能暫存器(TIMx_CCER)、捕獲/比較暫存器(TIMx_CCR1~4)。

接下來我們簡單介紹一下這三個暫存器。

首先是捕獲/比較模式暫存器(TIMx_CCMR1/2)，該暫存器一般有 2 個：TIMx _CCMR1

和 TIMx _CCMR2，不過 TIM14 只有一個。TIMx_CCMR1 控制 CH1 和 2，而 TIMx_CCMR2

控制 CH3 和 4。以下我們將以 TIM14 為例進行介紹。TIM14_CCMR1 暫存器各位描述如圖 14.1.2

所示：

圖 14.1.2 TIM14_CCMR1 暫存器各位描述

該暫存器的有些位在不同模式下，功能不一樣，所以在圖 14.1.2 中，我們把暫存器分了 2

層，上面一層對應輸出而下面的則對應輸入。關於該暫存器的詳細說明，請參考《STM32F4xx

中文參考手冊》第 476 頁，16.6.4 節。這裡我們需要說明的是模式設定位 OC1M，此部分由 3

位組成。總共可以配置成 7 種模式，我們使用的是 PWM 模式，所以這 3 位必須設定為 110/111。

這兩種 PWM 模式的區別就是輸出電平的極性相反。另外 CC1S 用於設定通道的方向(輸入/輸

出)預設設定為 0，就是設定通道作為輸出使用。注意：這裡是因為我們的 TIM14 只有 1 個通

道，所以才只有第八位有效，高八位無效，其他有多個通道的定時器，高八位也是有效的，具

體請參考《STM32F4xx 中文參考手冊》對應定時器的暫存器描述。

接下來，我們介紹 TIM14 的捕獲/比較使能暫存器(TIM14_CCER)，該暫存器控制著各個

輸入輸出通道的開關。該暫存器的各位描述如圖 14.1.3 所示：

圖 14.1.3 TIM14_ CCER 暫存器各位描述

該暫存器比較簡單，我們這裡只用到了 CC1E 位，該位是輸入/捕獲 1 輸出使能位，要想

PWM 從 IO 口輸出，這個位必須設定為 1，所以我們需要設定該位為 1。該暫存器更詳細的介

紹了，請參考《STM32F4xx 中文參考手冊》第 478 頁，16.6.5 這一節。同樣，因為 TIM14 只有

1 個通道，所以才只有低四位有效，如果是其他定時器，該暫存器的其他位也可能有效。

最後，我們介紹一下捕獲/比較暫存器(TIMx_CCR1~4)，該暫存器總共有 4 個，對應 4 個

通道 CH1~4。不過 TIM14 只有一個，即：TIM14_CCR1，該暫存器的各位描述如圖 14.1.4 所示：

圖 14.1.4 暫存器 TIM14_ CCR1 各位描述

在輸出模式下，該暫存器的值與 CNT 的值比較，根據比較結果產生相應動作。利用這點，

我們通過修改這個暫存器的值，就可以控制 PWM 的輸出脈寬了。

如果是通用定時器，則配置以上三個暫存器就夠了，但是如果是高階定時器，則還需要配

置：剎車和死區暫存器(TIMx_BDTR)，該暫存器各位描述如圖 14.1.5 所示：

圖 14.1.5 暫存器 TIMx_ BDTR 各位描述

該暫存器，我們只需要關注最高位：MOE 位，要想高階定時器的 PWM 正常輸出，則必須

設定 MOE 位為 1，否則不會有輸出。注意：通用定時器不需要配置這個。其他位我們這裡就不

詳細介紹了，請參考《STM32F4xx 中文參考手冊》第 386 頁，14.4.18 這一節。

本章，我們使用的是 TIM14 的通道 1，所以我們需要修改 TIM14_CCR1 以實現脈寬控制

DS0 的亮度。至此，我們把本章要用的幾個相關暫存器都介紹完了，本章要實現通過 TIM14_CH1

輸出 PWM 來控制 DS0 的亮度。下面我們介紹通過庫函式來配置該功能的步驟。

首先要提到的是，PWM 實際跟上一章節一樣使用的是定時器的功能，所以相關的函式設

置同樣在庫函式檔案 stm32f4xx_hal_tim.h 和 stm32f4xx_hal_tim.c 檔案中。

1)開啟 TIM14 和 GPIO 時鐘，配置 PF9 選擇複用功能 AF9(TIM14)輸出。

要使用 TIM14，我們必須先開啟 TIM14 的時鐘，這點相信大家看了這麼多程式碼，應該明白

了。這裡我們還要配置 PF9 為複用(AF9)輸出，才可以實現 TIM14_CH1 的 PWM 經過 PF9

輸出。 HAL 庫使能 TIM14 時鐘和 GPIO 時鐘方法是：

__HAL_RCC_TIM14_CLK_ENABLE();//使能定時器 14__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();//開啟 GPIOB 時鐘

接下來便是要配置 PF9 複用對映為 TIM3 的 PWM 輸出引腳。關於 IO 口複用對映，在串列埠

通訊實驗中有詳細講解，主要是通過函式 HAL_GPIO_Init 來實現的：

GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;__HAL_RCC_TIM14_CLK_ENABLE();//使能定時器 14__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();//開啟 GPIOF 時鐘GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_9;//PF9GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP;//複用推輓輸出GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;//上拉GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH;//高速GPIO_Initure.Alternate= GPIO_AF9_TIM14;//PF9 複用為 TIM14_CH1HAL_GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_Initure);

這裡還需要說明一下，對於定時器通道的引腳關係，大家可以檢視 STM32F4 對應的資料

手冊，比如我們 PWM 實驗，我們使用的是定時器 14 的通道 1，對應的引腳 PF9 可以從資料手

冊表中檢視：

2)初始化 TIM14,設定 TIM14 的 ARR 和 PSC 等引數。

根據前面的講解，初始化定時器的 ARR 和 PSC 等引數是通過函式 HAL_TIM_Base_Init 來

實現的，但是這裡大家要注意，對於我們使用定時器的 PWM 輸出功能時，HAL 庫為我們提供

了一個獨立的定時器初始化函式 HAL_TIM_PWM_Init，該函式宣告為：

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_PWM_Init(TIM_HandleTypeDef *htim);

該函式實現的功能以及使用方法和 HAL_TIM_Base_Init 都是類似的，作用都是初始化定時

器 的 ARR 和 PSC 等參 數 。 為 什 麼 HAL 庫要 提 供 這 個 函 數 而 不直 接 讓 我 們 使 用

HAL_TIM_Base_Init 函式呢？

這 是 因 為 HAL 庫 為 定 時 器 的 PWM 輸 出 定 義 了 單 獨 的 MSP 回 調 函 數

HAL_TIM_PWM_MspInit，也就是說，當我們呼叫HAL_TIM_PWM_Init進行PWM初始化之後，

該函式內部會呼叫 MSP 回撥函式 HAL_TIM_PWM_MspInit。而當我們使用 HAL_TIM_Base_Init

初始化定時器引數的時候，它內部呼叫的回撥函式為 HAL_TIM_Base_MspInit，這裡大家注意

區分。

所以大家一定要注意，使用 HAL_TIM_PWM_Init 初始化定時器時，回撥函式為：

HAL_TIM_PWM_MspInit，該函式宣告為：

void HAL_TIM_PWM_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim);

一般情況下，上面步驟 1 的時鐘使能和 IO 口初始化對映都編寫在回撥函式內部。

3)設定 TIM14_CH1 的 PWM 模式，使能 TIM14 的 CH1 輸出。

接下來，我們要設定 TIM14_CH1 為 PWM 模式(預設是凍結的)，因為我們的 DS0 是低電

平亮，而我們希望當 CCR1 的值小的時候，DS0 就暗，CCR1 值大的時候，DS0 就亮，所以我

們要通過配置 TIM14_CCMR1 的相關位來控制 TIM14_CH1 的模式。

在 HAL 庫中，PWM 通道設定是通過函式 HAL_TIM_PWM_ConfigChannel 來設定的：

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(TIM_HandleTypeDef *htim,TIM_OC_InitTypeDef* sConfig, uint32_t Channel);

第一個引數 htim 是定時器初始化控制代碼，也就是 TIM_HandleTypeDef 結構體指標型別，這

和 HAL_TIM_PWM_Init 函式呼叫時候引數儲存一致即可。

第二個引數 sConfig 是 TIM_OC_InitTypeDef 結構體指標型別，這也是該函式最重要的引數。

該引數用來設定 PWM 輸出模式，極性，比較值等重要引數。首先我們來看看結構體定義：

typedef struct{ uint32_t OCMode;//PWM 模式 uint32_t Pulse;//捕獲比較值 uint32_t OCPolarity;//極性 uint32_t OCNPolarity; uint32_t OCFastMode;//快速模式 uint32_t OCIdleState; uint32_t OCNIdleState;} TIM_OC_InitTypeDef;

該結構體成員我們重點關注前三個。成員變數 OCMode 用來設定模式，也就是我們前面講解的

7 種模式，這裡我們設定為 PWM 模式 1。成員變數 Pulse 用來設定捕獲比較值。成員變數

TIM_OCPolarity 用 來 設 置 輸 出 極 性 是 高 還 是 低 。 其 他 的 參 數 TIM_OutputNState ，

TIM_OCNPolarity，TIM_OCIdleState 和 TIM_OCNIdleState 是高階定時器才用到的。

第 三 個 參 數 Channel 用 來 選 擇 定 時 器 的 通 道 ， 取 值 範 圍 為 TIM_CHANNEL_1~

TIM_CHANNEL_4。這裡我們使用的是定時器 14 的通道 1，所以取值為 TIM_CHANNEL_1 即

可。

例如我們要初始化定時器 14 的通道 1 為 PWM 模式 1，輸出極性為低，那麼例項程式碼為：

TIM_OC_InitTypeDef TIM14_CH1Handler; //定時器 14 通道 1 控制代碼TIM3_CH4Handler.OCMode=TIM_OCMODE_PWM1; //模式選擇 PWM1TIM3_CH4Handler.Pulse=arr/2; //設定比較值,此值用來確定佔空比TIM3_CH4Handler.OCPolarity=TIM_OCPOLARITY_LOW; //輸出比較極性為低HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&TIM3_Handler,&TIM3_CH4Handler,TIM_CHANNEL_4);

4)使能 TIM14。

在完成以上設定了之後，我們需要使能 TIM14。使能 TIM14 的方法前面已經講解過：

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_PWM_Start(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel);

該函式第二個入口引數 Channel 是用來設定要使能輸出的通道號。

對於單獨使能定時器的方法，在上一章定時器實驗我們已經講解。實際上，HAL 庫也同樣

提供了單獨使能定時器的輸出通道函式，函式為：

void TIM_CCxChannelCmd(TIM_TypeDef* TIMx, uint32_t Channel, uint32_t ChannelState);

5)修改 TIM14_CCR1 來控制佔空比。

最後，在經過以上設定之後，PWM 其實已經開始輸出了，只是其佔空比和頻率都是固定

的，而我們通過修改比較值 TIM14_CCR1 則可以控制 CH1 的輸出佔空比。繼而控制 DS0 的亮

度。HAL 庫中並沒有提供獨立的修改佔空比函式，這裡我們可以編寫這樣一個函式如下：

//設定 TIM 通道 4 的佔空比//compare:比較值void TIM_SetTIM14Compare1(u32 compare){TIM14->CCR1=compare;}

實際上，因為呼叫函式 HAL_TIM_PWM_ConfigChanne 進行 PWM 配置的時候可以設定比

較值，所以我們也可以直接使用該函式來達到修改佔空比的目的:

void TIM_SetCompare1(TIM_TypeDef *TIMx,u32 compare){TIM14_CH1Handler.Pulse=compare;HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&TIM14_Handler,&TIM14_CH1Handler,TIM_CHANNEL_1);}

這種方法因為要呼叫 HAL_TIM_PWM_ConfigChannel 函式對各種初始化引數進行重新設

置，所以大家在使用中一定要注意，例如在實時系統中如果多個執行緒同時修改初始化結構體相

關引數，可能導致結果混亂。

14.2 硬體設計

本實驗用到的硬體資源有：

1) 指示燈 DS0

2) 定時器 TIM14

這兩個我們前面都已經介紹了，因為 TIM14_CH1 可以通過 PF9 輸出 PWM，而 DS0 就是

直接節在 PF9 上面的，所以電路上並沒有任何變化。

14.3 軟體設計

開啟 PWM 輸出實驗程式碼可以看到，我們相比上一節，並沒有新增其他任何 HAL 庫檔案，

而是添加了幾個函式

Timer.c 原始檔程式碼如下：//TIM14 PWM 部分初始化//arr：自動重灌值。//psc：時鐘預分頻數//定時器溢位時間計算方法:Tout=((arr+1)*(psc+1))/Ft us.//Ft=定時器工作頻率,單位:Mhzvoid TIM14_PWM_Init(u16 arr,u16 psc){ TIM14_Handler.Instance=TIM14;//定時器 14 TIM14_Handler.Init.Prescaler=psc;//定時器分頻 TIM14_Handler.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;//向上計數模式 TIM14_Handler.Init.Period=arr;//自動重灌載值 TIM14_Handler.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; HAL_TIM_PWM_Init(&TIM14_Handler);//初始化 PWM TIM14_CH1Handler.OCMode=TIM_OCMODE_PWM1;//模式選擇 PWM1 TIM14_CH1Handler.Pulse=arr/2;//設定比較值,此值用來確定佔空比，預設比較值為自動重灌載值//的一半,即佔空比為 50% TIM14_CH1Handler.OCPolarity=TIM_OCPOLARITY_LOW; //輸出比較極性為低 HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&TIM14_Handler,&TIM14_CH1Handler,TIM_CHANNEL_1);//配置 TIM14 通道 1 HAL_TIM_PWM_Start(&TIM14_Handler,TIM_CHANNEL_1);//開啟 PWM 通道 1}//定時器底層驅動，時鐘使能，引腳配置//此函式會被 HAL_TIM_PWM_Init()呼叫//htim:定時器控制代碼void HAL_TIM_PWM_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim){GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;__HAL_RCC_TIM14_CLK_ENABLE();//使能定時器 14__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();//開啟 GPIOF 時鐘GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_9; //PF9GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP; //複用推輓輸出GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP; //上拉GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_HIGH; //高速GPIO_Initure.Alternate= GPIO_AF9_TIM14;//PF9 複用為 TIM14_CH1HAL_GPIO_Init(GPIOF,&GPIO_Initure);}//設定 TIM 通道 4 的佔空比//compare:比較值void TIM_SetTIM14Compare1(u32 compare){TIM14->CCR1=compare;}

此部分程式碼包含了上面介紹的 PWM 輸出設定的前 5 個步驟。這裡我們關於 TIM14 的設定

就不再說了。

接下來，我們看看主程式裡面的 main 函式如下：

int main(void){u8 dir=1; u16 led0pwmval=0; HAL_Init(); //初始化 HAL 庫 Stm32_Clock_Init(336,8,2,7); //設定時鐘,168Mhzdelay_init(168); //初始化延時函式uart_init(115200); //初始化 USARTLED_Init();//初始化 LEDTIM3_Init(5000-1,8400-1); //定時器 3 初始化，週期為 500msTIM14_PWM_Init(500-1,84-1); //84M/84=1M 的計數頻率，自動重灌載為 500，//那麼 PWM 頻率為 1M/500=2kHZ while(1) {delay_ms(10);if(dir)led0pwmval++;//dir==1 led0pwmval 遞增else led0pwmval--;//dir==0 led0pwmval 遞減if(led0pwmval>300)dir=0;//led0pwmval 到達 300 後，方向為遞減if(led0pwmval==0)dir=1;//led0pwmval 遞減到 0 後，方向改為遞增TIM_SetTIM14Compare1(led0pwmval);//修改比較值，修改佔空比 }}

這裡，我們從死迴圈函式可以看出，我們將 led0pwmval 這個值設定為 PWM 比較值，也就

是通過 led0pwmval 來控制 PWM 的佔空比，然後控制 led0pwmval 的值從 0 變到 300，然後又

從 300 變到 0，如此迴圈，因此 DS0 的亮度也會跟著訊號的佔空比變化從暗變到亮，然後又從

亮變到暗。至於這裡的值，我們為什麼取 300，是因為 PWM 的輸出佔空比達到這個值的時候，

我們的 LED 亮度變化就不大了(雖然最大值可以設定到 499)，因此設計過大的值在這裡是沒

必要的。至此，我們的軟體設計就完成了。

14.4 下載驗證

在完成軟體設計之後，將我們將編譯好的檔案下載到探索者 STM32F4 開發板上，觀看其

執行結果是否與我們編寫的一致。如果沒有錯誤，我們將看 DS0 不停的由暗變到亮，然後又從

亮變到暗。每個過程持續時間大概為 3 秒鐘左右。

實際執行結果如下圖 14.4.1 所示：

圖 14.4.1 PWM 控制 DS0 亮度