STM32实战（二）：用定时器实现呼吸灯

“ 没想到一下鸽了几个月，遥想上一次更新还是在上海疫情在家期间☻，忙碌了几个月生活终于回到了正轨，但愿以后不会那么忙碌了。好了我们言归正传，上一期我们学习了模板的建立，今天我们会利用STM32的定时器生成一组PWM驱动LED，并通过定时器中断改变其占空比，实现呼吸灯的效果。 ”

我们这次只使用一块STM32核心板并且基于上篇中实现的工程模板进行开发即可。开始之前，先介绍一下什么是PWM。

一、什么是PWM

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）是一种通过数字信号控制模拟器件的方式，它通过产生不同占空比（Duty Cycle）的矩形波来在输出端等效出不同电压值的控制效果，即对输出的脉冲宽度（占空比）进行调制，实现其对模拟器件的控制。下图展示了三种不同占空比PWM波的时间-幅度图：

PWM的输出等效电压计算公式为：

$U_o=VCC*\frac {t}{T}=VCC*Duty$

（其中t为高电平时间，T为PWM周期）

假设上述三种PWM波的VCC为5V，则上述三种等效输出电压分别为1.5V、2.5V、3.5V，即使用数字信号实现了模拟控制。

二、STM32定时器

从官网上或使用CubeMX查询可知STM32F103RCT6属于大容量产品，共计有8个16位定时器，其中定时器1与定时器8为高级定时器；定时器2、3、4、5为通用定时器；定时器6、7为基本定时器。高级定时器与基本定时器都各有4个通道可以用来实现输入捕获或生成PWM等功能，同时高级定时器还具有输出互补PWM、刹车控制等功能。而基本定时器可以实现定时产生中断的基本功能。

本次使用的LED连接在PA8上，查询F1的数据手册可知其可被复用为TIM1_CH1，即定时器1的输出通道1，可以使用该通道生成一个PWM。再使用定时器2生成一个周期性中断，改变PWM的占空比，生成一个占空比变化的PWM波，同时学习下定时器的使用方法。

在HAL库中基本每个.C文件都对应了一个外设，里面封装了对该外设的各种操作函数，在文件中还有详细的注释描述其使用方法．例如定时器操作的源码就在stm32f1xx_hal_tim.c文件中，按照文件开始的注释中的说明，定时器或PWM生成的基本步骤为：

根据用途调用HAL_TIM_Base_MspInit()或HAL_TIM_PWM_MspInit()等函数进行初始化
使用__HAL_RCC_TIMx_CLK_ENABLE()使能定时器对应的时钟，设置使用的IO
根据用途调用HAL_TIM_PWM_ConfigChannel()等进行进一步设置
调用HAL_TIM_Base_Start()或HAL_TIM_PWM_Start()启动定时器

三、代码编写

为了方便后续管理，我将GPIO的部分与定时器的部分分开，并且开启定时器2的中断功能。

GPIO部分负责初始化PA8端口，并设置为功能复用。gpio.c与gpio.h内容如下：

// gpio.c
#include "gpio.h"

int GPIOInit(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
	__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

	GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8;
	GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
	GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
	GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
	HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

	return 0;
}

// gpio.h
#ifndef __GPIO__H__
#define __GPIO__H__

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

#include "stm32f1xx_hal.h"

int GPIOInit(void);

#ifdef __cplusplus
}
#endif

#endif

定时器部分负责初始化定时器1与定时器2，设定的频率分别为1kHz与100Hz，并且设置定时器1输出PWM的占空比。timer.c与timer.h内容如下：

// timer.c
#include "timer.h"

TimerDef timer1, timer2;

int TimerInit(void)
{
    TimerDef *tmpTim = &timer1;
    /* 1kHz */
    tmpTim->TIM_Handle.Instance = TIM1;
    tmpTim->TIM_Handle.Init.Prescaler = 72 - 1;
    tmpTim->TIM_Handle.Init.Period = 1000;

    __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();
    HAL_TIM_PWM_Init(&tmpTim->TIM_Handle);

    tmpTim = &timer2;
    /* 100Hz */
    tmpTim->TIM_Handle.Instance = TIM2;
    tmpTim->TIM_Handle.Init.Prescaler = 72 - 1;
    tmpTim->TIM_Handle.Init.Period = 10000;

    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
    
    HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
    
    HAL_TIM_Base_Init(&tmpTim->TIM_Handle);
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&tmpTim->TIM_Handle);

    return 0;
}

/**
 * \brief Set the PWM config and starts the PWM output.
 * \param handle Timer handle
 * \param channel the TIM Channel
 * \param duty the duty of PWM
 * \return status
*/
int TimerSetPulse(TimerDef *handle, uint32_t channel, float duty)
{
    int t = handle->TIM_Handle.Init.Period * duty;
    handle->TIM_OC_Handle.Pulse = t;
    handle->TIM_OC_Handle.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&handle->TIM_Handle, &handle->TIM_OC_Handle, channel);
    HAL_TIM_PWM_Start(&handle->TIM_Handle, channel);
    return 0;
}

// timer.h
#ifndef __TIMER__H__
#define __TIMER__H__

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

#include "stm32f1xx_hal.h"

typedef struct TimerDef
{
    TIM_HandleTypeDef TIM_Handle;
    TIM_OC_InitTypeDef TIM_OC_Handle;

}TimerDef;

int TimerInit(void);
int TimerSetPulse(TimerDef *handle, uint32_t channel, float duty);

extern TimerDef timer1, timer2;

#ifdef __cplusplus
}
#endif

#endif

定时器2中断函数：因为上面开启了定时器2中断，所以需要自行实现中断函数。这里在中断函数里每次增加PWM的1%占空比，增加到100%后变为每次减小1%，减小到0后再增加，如此往复。

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    static int duty = 0;
    static int inc = 1;
    
    /* HAL库通用定时器中断处理函数 */
    HAL_TIM_IRQHandler(&timer2.TIM_Handle);
    
    duty += inc;
    if((duty >= 100) || (duty <= 0))
    {   /* 当占空比到100或0时改变变化方向 */
        inc = -inc;
    }

    TimerSetPulse(&timer1, TIM_CHANNEL_1, duty / 100.0);
}