如何用双定时器控制单片机输出固定的数量的PWM脉冲

最近在逛21ic论坛,看到几个帖子都在咨询如何控制单片机输出固定的数量的PWM脉冲,用于控制电机的转停,刚好前两天本人也需要该功能做测试,我是输出PWM给伺服电机驱动器,驱动器以位置模式工作,收到脉冲就控制电机转动,如果需要精确控制电机转过的角度,就需要给驱动器输入固定数量的脉冲。于是我便用STM32F031的双定时器实现了该功能,下文便详细描述。

我在进行代码编译之前也在网络上搜索过相应的方法,总结起来一共五个方法:

  • 1、单脉冲法,需要一个脉冲中断一次,中断次数多,影响效率
  • 2、一个定时器输出PWM,另一定时器使用输入捕获进行中断计数,与方法1一样,同样需要频繁的中断
  • 3、用主从定时器门控方式,比较繁琐
  • 4、用一个定时器(从)作为另一个定时器(主)的外部时钟触发源
  • 5、高级定时器T1、T8的重复计数方式,RCR计数中断,看手册好像这种方式最简单,能满足一部分人要求,缺点是寄存器只有8位,最多实现255个脉冲计数输出。

我在最初时使用了第2和方法,该方法对于我来说你叫简单,后来在写这篇文章时选择了第4个方法,总结起来还是4比较靠谱,但是这里的第2方法也描述一下,便于大家选择。

方法2:

因为条件限制,干脆说为了省事,我在原来用于其他功能的板子上进行测试,因为只开放了PB3和PB4,所以这里只好用TIM2和TIM3进行测试。

TIM2用于产生PWM脉冲输出,在输出给驱动器的同时将该脉冲也接到PB4,也就是TIM3的输入口,这样TIM3也能接收到TIM2发出的脉冲,TIM3只需要配置为输入捕获,并开启中断,便可以在每次脉冲到来进入中断,在TIM3的中断中去计数,达到需要的脉冲数便关闭TIM2便可。

首先依旧是初始化端口:

先贴一下time.h文件:


/* 定义防止递归包含 ----------------------------------------------------------*/
#ifndef _TIMER_H
#define _TIMER_H

/* 包含的头文件 --------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f0xx.h"


/* 宏定义 --------------------------------------------------------------------*/
#define TIM6_COUNTER_CLOCK        1000000                  //计数时钟(1M次/秒)
                                                           //预分频值
#define TIM6_PRESCALER_VALUE      (SystemCoreClock/TIM6_COUNTER_CLOCK - 1)
#define TIM6_PERIOD_TIMING        (10 - 1)                 //定时周期(相对于计数时钟:1周期 = 1计数时钟)

#define TIM2_COUNTER_CLOCK        24000000                 //计数时钟(24M次/秒)
                                                           //预分频值
#define TIM2_PRESCALER_VALUE      (SystemCoreClock/TIM2_COUNTER_CLOCK - 1)

/* 函数申明 ------------------------------------------------------------------*/
void Systick_Init(void);
void Delay_ms(__IO uint32_t nTime);
void TimingDelay_Decrement(void);
void Delay(uint32_t temp);
void delay_us(uint32_t nus);
void delay_init();

void TIMER_Initializes(void);

void TIMDelay_N10us(uint16_t Times);
void TIMDelay_Nms(uint16_t Times);
void TIMDelay_Ns(uint16_t Times);

void TIMER_PWM_GPIO_Configuration(void);
void TIM2_CH2_PWM(uint32_t Freq, uint16_t Dutycycle);
void TIMER_IC_Configuration(void);

#endif /* _TIMER_H */

因为我的时钟初始化是单独定义的,所以这里未进行时钟的初始化,在参考的我的代码时需注意:


void TIMER_PWM_GPIO_Configuration(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;                          //TIM2引脚
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;                       //复用模式
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;                  //高速输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;                     //推完输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;                       //上拉
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

  GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource3, GPIO_AF_2);               //复用配置

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;                          //TIM3引脚
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;                       //复用模式
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;                  //高速输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;                     //推完输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;                   //无上下拉(浮空)
  GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);       

  GPIO_PinAFConfig(GPIOB, GPIO_PinSource4, GPIO_AF_1);  
}

配置定时器2,TIM2作为PWM的脉冲输出:



/************************************************
函数名称 :TIM2_CH2_PWM
功    能 :定时器2通道2输出PWM
参    数 :Freq -------- 频率
            Dutycycle --- 占空比
返 回 值 :无
作    者 :呐咯密密
*************************************************/
void TIM2_CH2_PWM(uint32_t Freq, uint16_t Dutycycle)
{
  TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
  TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
  uint16_t tim2_period;
  uint16_t tim2_pulse;

  tim2_period = (uint16_t)(TIM2_COUNTER_CLOCK/Freq - 1);             //计算出计数周期(决定输出的频率)
  tim2_pulse  = (tim2_period + 1)*Dutycycle / 100;                   //计算出脉宽值(决定PWM占空比)

  /* TIM2时基单元配置 */
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = TIM2_PRESCALER_VALUE;        //预分频值
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;        //向上计数模式
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = tim2_period;                    //定时周期(自动从装载寄存器ARR的值)
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;            //时钟分频因子
  TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

  /* TIM2通道2:PWM1模式配置 */
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;                   //输出PWM1模式
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;       //使能输出
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = tim2_pulse;                         //脉宽值
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;           //输出极性
  TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);

  TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
  TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE);
  TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);                                             //初始化PWM。
}

配置定时器3,作为捕获输入:



void TIMER_IC_Configuration(void)
{
  TIM_ICInitTypeDef  TIM_ICInitStructure;
  TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;

  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 1 - 1;                       //1分频(与捕获分频相同)
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;        //向上计数模式
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFFFFFF;                     //定时周期(自动从装载寄存器ARR的值)
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;            //时钟分频因子
  TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

  TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;                   //通道1
  TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Falling;       //捕获极性
  TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;    //捕获选择
  TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;              //捕获分频
  TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0;                              //捕获滤波
  TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);

  TIM3->SR = (uint16_t)~TIM_IT_CC1;                                  //清除中断标志
  TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);                                             //使能TIM3

  TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_CC1, ENABLE);                            //使能中断
}

关于定时器的通道要根据手册定义来确定,我的只适配我的硬件。

这里需要着重说一下预分频TIM_Prescaler的值和捕获分频TIM_ICPrescaler的值要对应,在上面的代码中这两个值均为1,效果就是每来一个脉冲就会进一次中断。我们只需在中断里进行计数,想要几个脉冲就进中断几次,达到需要的脉冲数就关闭TIM2。如下所示:

配置中断:



NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;                    //IRQ通道:定时器2
        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPriority = 0;
        NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
        NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

void TIM3_IRQHandler(void)
{
  if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_CC1) != RESET)
  {
          TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_CC1);//先清空中断标志位,以备下次使用。
          capture++;          
          if(capture==16)
          {
                  /*每16个脉冲转动电机一次*/
                        TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Disable);
                        TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, DISABLE);
                        TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);
                        TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);                       //失能TIM2
                        TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_CC1, DISABLE);   //失能中断       
                        capture=0;
                  delay_us(5000);
                         TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);                       //失能TIM2
                        TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_CC1, ENABLE);   //失能中断
                        TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
                        TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE);
                        TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
          }



  }
}

在TIM3的中断函数中,我们定义一个变量capture,每次进入中断该值会加一,进入16次中断,也就是有16个脉冲输入就会满足条件进入if()函数,关闭TIM2和TIM3,延时5000us后再打开这两个定时器,如此循环。可从示波器看现象:


现在我们已经完成了对TIM2的输出固定个数脉冲的试验,但是这种方式每个脉冲都进一次中断太麻烦,于是可以修改预分频TIM_Prescaler的值为8-1,和捕获分频TIM_ICPrescaler的值为TIM_ICPSC_DIV8,便可8个脉冲进一次中断。

此时也将中断函数里的判断条件改为1,进一次中断便会关闭定时器,我们接上示波器看看现象:

通过示波器我们可以看到,虽然只进了一次中断,但是我们却输出8个脉冲,以此可减少进入中断的次数。至此,通过TIM3的输入捕获控制PWM脉冲数的试验就完成了。

方法4:

方法4是利用主从定时器进行脉宽调制,不占用主时钟,在代码时间要求苛刻和多电机控制时非常实用,可以精准控制。

GPIO的初始化和上文保持不变,仅改变TIM的配置:

TIM2设置为主模式



/***********************TIM2初始化函数*************************
****参数:****************************************************/
/******u32 Cycle用于设定计数频率(计算公式:Cycle=1Mhz/目标频率)**
****返回值:**************************************************/
/******无*****************************************************/
void TIM2_config(uint32_t Cycle)
{

    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;


    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = Cycle-1;                 //使用Cycle来控制频率(f=48/(47+1)/Cycle)  当Cycle为100时脉冲频率为10KHZ                           
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =47;                    //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值                                                     
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;     //设置时钟分割:TDTS= Tck_tim            
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;            //重复计数,一定要=0!!!
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);                                       

    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;                  //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1      
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;     //比较输出使能
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = Cycle/2-1;                        //设置待装入捕获寄存器的脉冲值(占空比:默认50%,这可也可以调节如果需要的话将它作为一个参数传入即可)                                   
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;          //输出极性      

    TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);                        //使能通道2                                                

    TIM_SelectMasterSlaveMode(TIM2, TIM_MasterSlaveMode_Enable);    //设置为主从模式
    TIM_SelectOutputTrigger(TIM2, TIM_TRGOSource_Update);            //选择定时器2的触发方式(使用更新事件作为触发输出)


    TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);               //使能通道2预装载寄存器               
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE);                             //使能TIM2在ARR上的预装载寄存器      

}

TIM3设置为从模式:




/***********************TIM3初始化函数*************************/
/****参数:****************************************************/
/******u32 PulseNum用于设定脉冲数量****************************/
/****返回值:*************************************************/
/******无*****************************************************/

void TIM3_config(uint32_t PulseNum)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = PulseNum-1; //设置自动重装载周期值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =0;   
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;     
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);  

    TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_ITR1);
    TIM_SelectSlaveMode(TIM3,TIM_SlaveMode_External1 );// 等同 TIM3->SMCR|=0x07 //设置从模式寄存器            
    TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,DISABLE);


}

这里的TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_ITR1);是设置为内部触发,参数由手册进行获取:

/************************脉冲输出函数**************************/ /****参数:****************************************************/ /******u32 Cycle用于设定计数频率(计算公式:Cycle=1Mhz/目标频率)/ /******u32 PulseNum用于设定输出脉冲的数量(单位:个)************/ /****返回值:**************************************************/ /******无*****************************************************/ void Pulse_output(uint32_t Cycle,uint32_t PulseNum) { TIM3_config(PulseNum); //设置脉冲数量 TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); //使能TIM3(从定时器) TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update); //清除中断标志位 TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE); //使能更新中断 TIM2_config(Cycle); //使能定时器2(主定时器) TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); //使能定时器2 // TIM_CtrlPWMOutputs(TIM2, ENABLE); //高级定时器一定要加上,主输出使能 }

void TIM3_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)     //TIM_IT_Update
    {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);     // 清除中断标志位
        TIM_CtrlPWMOutputs(TIM2, DISABLE);              //主输出使能
        TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);                         //关闭定时器
        TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);                         //关闭定时器
        TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, DISABLE);     //关闭TIM2更新中断

    }
}

当TIM的CNT寄存器的值到达设定的Update值会触发更新中断,此时设定的脉冲数已输出完毕,关闭TIM2和TIM3.

主函数:


该代码本人均已调通,原理部分过于繁杂,这里以本人能力可能无法解释的清除,诸位可参考手册或网络获取相关讲解。

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