[Day 14] STM32 LibOpenCM3：PWM 脈波寬度調變

14th鐵人賽 stm32 嵌入式系統

ZiTe

2022-09-27 09:40:35

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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

/**
 * @file   main.c
 * @brief  PWM(Pulse-width modulation) example for STM32 Nucleo-F446RE.
 */

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

#define PWM_GOAL_FREQUENCY (1000)  /* f_goal, PWM goal frequency in Hz. */
#define PWM_GOAL_DUTY_CYCLE (72.5) /* dc_goal, PWM goal duty-cycle in %. */

#define PWM_TIMER_CLOCK (rcc_apb1_frequency * 2) /* f_timer. */
#define PWM_COUNTER_CLOCK (1000000) /* f_counter (CK_CNT). */

#define PWM_TIMER_PRESCALER (PWM_TIMER_CLOCK / PWM_COUNTER_CLOCK - 1) /* PSC. */
#define PWM_TIMER_PERIOD (((PWM_TIMER_CLOCK) / ((PWM_TIMER_PRESCALER + 1) * PWM_GOAL_FREQUENCY)) - 1) /* ARR. */
#define PWM_TIMER_OC_VALUE ((PWM_TIMER_PERIOD + 1) * PWM_GOAL_DUTY_CYCLE / 100) /* CCR. */

#define RCC_PWM_GPIO (RCC_GPIOA)
#define GPIO_PWM_PORT (GPIOA)
#define GPIO_PWM_PIN (GPIO7)   /* D11. */
#define GPIO_PWM_AF (GPIO_AF2) /* Ref: Table-11 in DS10693. */

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); /* Reset TIM3 to defaults. */
}

static void pwm_setup(void)
{
  /* Set PWM pin to alternate function push-pull. */
  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);        /* Setup TIMx_PSC register. */
  timer_set_period(TIM3, PWM_TIMER_PERIOD);              /* Setup TIMx_ARR register. */
  timer_set_oc_value(TIM3, TIM_OC2, PWM_TIMER_OC_VALUE); /* Setup TIMx_CCRx register. */
  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)
  { /* Halt. */ }
  return 0;
}

分段說明

Include

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

#define PWM_GOAL_FREQUENCY (1000)  /* f_goal, PWM goal frequency in Hz. */
#define PWM_GOAL_DUTY_CYCLE (72.5) /* dc_goal, PWM goal duty-cycle in %. */

#define PWM_TIMER_CLOCK (rcc_apb1_frequency * 2) /* f_timer. */
#define PWM_COUNTER_CLOCK (1000000) /* f_counter (CK_CNT). */

#define PWM_TIMER_PRESCALER (PWM_TIMER_CLOCK / PWM_COUNTER_CLOCK - 1) /* PSC. */
#define PWM_TIMER_PERIOD (((PWM_TIMER_CLOCK) / ((PWM_TIMER_PRESCALER + 1) * PWM_GOAL_FREQUENCY)) - 1) /* ARR. */
#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

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); /* Reset TIM3 to defaults. */
}

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

static void pwm_setup(void)
{
  /* Set PWM pin to alternate function push-pull. */
  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);        /* Setup TIMx_PSC register. */
  timer_set_period(TIM3, PWM_TIMER_PERIOD);              /* Setup TIMx_ARR register. */
  timer_set_oc_value(TIM3, TIM_OC2, PWM_TIMER_OC_VALUE); /* Setup TIMx_CCRx register. */
  timer_set_oc_mode(TIM3, TIM_OC2, TIM_OCM_PWM1);

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

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。

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); /* Reset TIM3 to defaults. */
}

static void pwm_setup(void)
{
  /* Set PWM pin to alternate function push-pull. */
#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
  /* 省略部分程式 */
}