STM32定時器產(chǎn)生PWM的研究-電子課程設(shè)計報告

淮南師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第頁成績電子課程設(shè)計報告題目：STM32定時器產(chǎn)生PWM的研究課程：原子教你玩STM32（庫函數(shù)版）學(xué)生姓名：汪強(qiáng)學(xué)生學(xué)號：1214020132年級：大學(xué)三年級專業(yè)：電子信息工程班級：電子信息工程（1）班指導(dǎo)教師：陳帥電子工程學(xué)院制

目錄第1章前言 51.1ARM應(yīng)用背景 51.2研究內(nèi)容 61.3研究成果 7第2章STM32處理器概述 82.1STM32簡介 82.2內(nèi)部資源 102.3Cortex-M3內(nèi)核簡介 102.4STM32定時器簡介 122.4.1通用定時器 122.4.2高級控制定時器 122.4.3小結(jié) 15第3章PWM概述 163.1原理 163.1.1PWM模式 163.1.2互補(bǔ)輸出與死區(qū)插入 193.2PWM輸出的實現(xiàn) 21第4章軟件設(shè)計 224.1開發(fā)環(huán)境 224.1.1STM32的開發(fā)軟件 224.1.2MDK370 224.2軟件實現(xiàn) 234.2.1設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 234.2.2程序流程圖 25第五章測試及結(jié)果 265.1JTAG仿真器介紹 265.2測試 275.3現(xiàn)象及結(jié)果 28結(jié)論 31致謝 32參考文獻(xiàn) 33

第1章前言1.1ARM應(yīng)用背景ARM處理器ADCI/O接口鍵盤ARM處理器ADCI/O接口鍵盤RAMLED傳感器轉(zhuǎn)換器LCDDACEPROM主機(jī) 輸入 輸出圖1-1ARM嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)的功能模塊目前已有超過85％的無線通信設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。ARM在此方面的應(yīng)用如：手提式計算機(jī)、移動電話、PDA等。隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外，ARM在語音及視頻處理上進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持。ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字式電視機(jī)、GPS、機(jī)頂盒中得到廣泛采用?，F(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)，手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。如圖1-2所示是基于ARM技術(shù)的數(shù)碼相機(jī)的功能模塊[9]。ARMARM處理器LCD控制器主機(jī)接口CCDADC控制電路和編碼電路存儲器圖1-2基于ARM技術(shù)的數(shù)碼相機(jī)的功能模塊1.2研究內(nèi)容本設(shè)計旨在加深對ARM的學(xué)習(xí)，鞏固大學(xué)四年所學(xué)專業(yè)知識，提升動手能力和思考問題解決問題的能力。本設(shè)計選擇意法半導(dǎo)體的STM32F開發(fā)板，通過對該開發(fā)板的研究學(xué)習(xí)，和對STM32F103C8T6芯片的學(xué)習(xí)，掌握其各種外設(shè)功能。通過對TIM1定時器進(jìn)行控制，使之各通道輸出插入死區(qū)的互補(bǔ)PWM輸出，各通道輸出頻率均為17.57KHz。其中，通道1輸出的占空比為50%，通道2輸出的占空比為25%，通道3輸出的占空比為12.5%。各通道互補(bǔ)輸出為反相輸出。 TIM1定時器的通道1到4的輸出分別對應(yīng)PA.08、PA.09、PA.10和PA.11引腳，而通道1到3的互補(bǔ)輸出分別對應(yīng)PB.13、PB.14和PB.15引腳，中止輸入引腳為PB.12。將這些引腳分別接入示波器，在示波器上觀查相應(yīng)通道占空比的方波[12]。第2章STM32處理器概述2.1STM32簡介[24]STM32F103xx增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM/Cortex-M3/32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。STM32F103xx增強(qiáng)型系列工作于-40℃至+105℃的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。完整的STM32F103xx增強(qiáng)型系列產(chǎn)品包括從36腳至100腳的五種不同封裝形式；根據(jù)不同的封裝形式，器件中的外設(shè)配置不盡相同。下面給出了該系列產(chǎn)品中所有外設(shè)的基本介紹。這些豐富的外設(shè)配置，使得STM32F103xx增強(qiáng)型微控制器適合于多種應(yīng)用場合：·電機(jī)驅(qū)動和應(yīng)用控制；·醫(yī)療和手持設(shè)備；·PC外設(shè)和GPS平臺；·工業(yè)應(yīng)用：可編程控制器、變頻器、打印機(jī)和掃描儀；·警報系統(tǒng)，視頻對講，和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)；2.1.1STM32F103C8的參數(shù)STM32開發(fā)板核心芯片的參數(shù)如表2-1表2-1器件功能和配置(STM32F103xx增芯片引腳圖如圖2-2：2.4.1通用定時器[22]STM32F103xx增強(qiáng)型系列產(chǎn)品中內(nèi)置了多達(dá)3個同步的標(biāo)準(zhǔn)定時器。每個定時器都有一個16位的自動加載遞加/遞減計數(shù)器、一個16位的預(yù)分頻器和4個獨立的通道，每個通道都可用于輸入捕獲、輸出比較、PWM和單脈沖模式輸出，在最大的封裝配置中可提供最多12個輸入捕獲、輸出比較或PWM通道。它們還能通過定時器鏈接功能與高級控制定時器共同工作，提供同步或事件鏈接功能。在調(diào)試模式下，計數(shù)器可以被凍結(jié)。任一個標(biāo)準(zhǔn)定時器都能用于產(chǎn)生PWM輸出。每個定時器都有獨立的DMA請求機(jī)制。2.4.2高級控制定時器[22]高級控制定時器(TIM1)由一個16位的自動裝載計數(shù)器組成，它由一個可編程預(yù)分頻器驅(qū)動。它適合多種用途，包含測量輸入信號的脈沖寬度(輸入捕獲)，或者產(chǎn)生輸出波形(輸出比較，PWM，嵌入死區(qū)時間的互補(bǔ)PWM等)。使用定時器預(yù)分頻器和RCC時鐘控制預(yù)分頻器，可以實現(xiàn)脈沖寬度和波形周期從幾個微秒至幾個毫秒的調(diào)節(jié)。高級控制(TIM1)和通用(TIMx)定時器是完全獨立的，它們不共享任何資源，它們可以同步操作。高級控制定時器(TIM1)可以被看成是一個分配到6個通道的三相PWM發(fā)生器，它還可以被當(dāng)成一個完整的通用定時器。四個獨立的通道可以用于：·輸入捕獲；·輸出比較；·產(chǎn)生PWM(邊緣或中心對齊模式)；·單脈沖輸出；·反相PWM輸出，具有程序可控的死區(qū)插入功能；配置為16位標(biāo)準(zhǔn)定時器時，它與TIMx定時器具有相同的功能。配置為16位PWM發(fā)生器時，它具有全調(diào)制能力(0~100%)。在調(diào)試模式下，計數(shù)器可以被凍結(jié)。很多功能都與標(biāo)準(zhǔn)的TIM定時器相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也相同，因此高級控制定時器可以通過定時器鏈接功能與TIM定時器協(xié)同操作，提供同步或事件鏈接功能。TIM1定時器的功能包括：·16位上，下，上/下自動裝載計數(shù)器；·16位可編程預(yù)分頻器，計數(shù)器時鐘頻率的分頻系數(shù)為1～65535之間的任意數(shù)值；·4個獨立通道：?輸入捕獲；?輸出比較；?PWM生成(邊緣或中間對齊模式)；?單脈沖模式輸出；?死區(qū)時間可編程的互補(bǔ)輸出。·使用外部信號控制定時器和定時器互連的同步電路；·在指定數(shù)目的計數(shù)器周期之后更新定時器寄存器；·剎車輸入信號可以將定時器輸出信號置于復(fù)位狀態(tài)或者一個已知狀態(tài)；·如下事件發(fā)生時產(chǎn)生中斷/DMA：?更新：計數(shù)器向上溢出/向下溢出，計數(shù)器初始化(通過軟件或者內(nèi)部/外部觸發(fā))；?觸發(fā)事件(計數(shù)器啟動，停止，初始化或者由內(nèi)部/外部觸發(fā)計數(shù))；?輸入捕獲；?輸出比較；?剎車信號輸入。時基單元可編程高級控制定時器的主要部分是一個16位計數(shù)器和與其相關(guān)的自動裝載寄存器。這個計數(shù)器可以向上計數(shù)、向下計數(shù)或者向上向下雙向計數(shù)。此計數(shù)器時鐘由預(yù)分頻器分頻得到。計數(shù)器、自動裝載寄存器和預(yù)分頻器寄存器可以由軟件讀寫，即使計數(shù)器還在運(yùn)行讀寫仍然有效。時基單元包含：·計數(shù)器寄存器(TIM1_CNT)；·預(yù)分頻器寄存器(TIM1_PSC)；·自動裝載寄存器(TIM1_ARR)；·周期計數(shù)寄存器(TIM1_RCR)；自動裝載寄存器是預(yù)先裝載的。寫或讀自動重裝載寄存器將訪問預(yù)裝載寄存器。根據(jù)在TIM1_CR1寄存器中的自動裝載預(yù)裝載使能位(ARPE)的設(shè)置，預(yù)裝載寄存器的內(nèi)容被永久地或在每次的更新事件UEV時傳送到影子寄存器。當(dāng)計數(shù)器達(dá)到溢出條件(向下計數(shù)時的下溢條件)并當(dāng)TIM1_CR1寄存器中的UDIS位等于0時，產(chǎn)生更新事件。更新事件也可以由軟件產(chǎn)生。隨后會詳細(xì)描述每一種配置下更新事件的產(chǎn)生。計數(shù)器由預(yù)分頻器的時鐘輸出CK_CNT驅(qū)動，僅當(dāng)設(shè)置了計數(shù)器TIM1_CR1寄存器中的計數(shù)器使能位(CEN)時，CK_CNT才有效。(有關(guān)更多的計數(shù)器使能的細(xì)節(jié)，請參見控制器的從模式描述)。注：真正的計數(shù)器使能信號CNT_EN是在CEN后的一個時鐘周期后被設(shè)置。預(yù)分頻器描述。預(yù)分頻器可以將計數(shù)器的時鐘頻率按1到65536之間的任意值分頻。它是基于一個(在TIM1_PSC寄存器中的)16位寄存器控制的16位計數(shù)器。因為這個控制寄存器帶有緩沖器，它能夠在工作時被改變。新的預(yù)分頻器的參數(shù)在下一次更新事件到來時被采用。圖2-4和圖2-5給出了一些在預(yù)分頻器工作時，更改其參數(shù)的情況下計數(shù)器操作的例子。圖2-4當(dāng)預(yù)分頻器的參數(shù)從1變到2時，計數(shù)器的時序圖圖2-5當(dāng)預(yù)分頻器的參數(shù)從1變到4時，計數(shù)器的時序圖第3章PWM概述3.1原理PWM是PulseWidthModulation的縮寫，中文意思就是脈沖寬度調(diào)制，簡稱脈寬調(diào)制。它是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，其控制簡單、靈活和動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，其應(yīng)用領(lǐng)域包括測量，通信，功率控制與變換，電動機(jī)控制、伺服控制、調(diào)光、開關(guān)電源，甚至某些音頻放大器，因此研究基于PWM技術(shù)的正負(fù)脈寬數(shù)控調(diào)制信號發(fā)生器具有十分重要的現(xiàn)實意義。PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。多數(shù)負(fù)載(無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。占空比是接通時間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。目前,運(yùn)動控制系統(tǒng)或電動機(jī)控制系統(tǒng)中實現(xiàn)PWM的方法主要有傳統(tǒng)的數(shù)字電路方式、專用的PWM集成電路、單片機(jī)實現(xiàn)方式和可編程邏輯器件實現(xiàn)方式。用傳統(tǒng)的數(shù)字電路實現(xiàn)PWM，電路設(shè)計較復(fù)雜，體積大，抗干擾能力差，系統(tǒng)的控制周期較長。專用的PWM集成電路或帶有PWM的單片機(jī)價格較高。對于單片機(jī)中無PWM輸出功能的情況，實現(xiàn)PWM將消耗大量的時間，大大降低了CPU的效率，而且得到的PWM信號精度不太高[15]。3.1.1PWM模式圖3-1邊沿對齊的PWM波形(ARR=8)·向下計數(shù)的配置當(dāng)TIM1_CR1寄存器的DIR位為高時執(zhí)行向下計數(shù)。在PWM模式1，當(dāng)TIM1_CNT>TIM1_CCRx時參考信號OCxREF為低，否則為高。如果TIM1_CCRx中的比較值大于TIM1_ARR中的自動重裝載值，則OCxREF保持為“1＂。該模式下不能產(chǎn)生0％的PWM波形。PWM中央對齊模式當(dāng)TIM1_CR1寄存器中的CMS位不為00時為中央對齊模式(所有其他的配置對OCxREF/OCx信號都有相同的作用)。根據(jù)不同的CMS位的設(shè)置，比較標(biāo)志可能在計數(shù)器向上計數(shù)時被置1、在計數(shù)器向下計數(shù)時被置1、或在計數(shù)器向上和向下計數(shù)時被置1。TIM1_CR1寄存器中的計數(shù)方向位(DIR)由硬件更新，不要用軟件修改它。圖3-2給出了一些中央對齊的PWM波形的例子·TIM1_ARR=8；·PWM模式1；·TIM1_CR1寄存器中的CMS=01，在中央對齊模式1時，當(dāng)計數(shù)器向下計數(shù)時標(biāo)志被設(shè)置。[21]圖3-2中央對齊的PWM波形(APR=8)3.1.2互補(bǔ)輸出與死區(qū)插入圖3-3帶死區(qū)插入的互補(bǔ)輸出圖3-4死區(qū)波形延遲大于負(fù)脈沖3.2PWM輸出的實現(xiàn)[12]STM32的高級定時器時鐘TIM1CLK為固定72MHz,TIM1預(yù)分頻為0x0（系統(tǒng)高速時鐘不分頻）,所以TIM1計數(shù)器時鐘頻率為72MHz。I/O口時鐘為固定值50MHz，PA8、PA9、PA10、PA11設(shè)為推拉模式。TIM1在下面定義的頻率下工作:TIM1頻率=TIM1CLK/(TIM1_Period+1)=17.57KHz。TIM1CC1寄存器的值為0x7FFF,所以TIM1_CH1和TIM1_CH1N產(chǎn)生一個頻率為17.57KHz的信號，這個信號的占空比為：TIM1_CH1占空比=TIM1_CCR1/(TIM1_Period+1)=50%。TIM1CC2寄存器的值為0x3FFF,所以TIM1_CH2和TIM1_CH2N產(chǎn)生一個17.57KHz的信號，它的占空比為:TIM1_CH2占空比=TIM1_CCR2/(TIM1_Period+1)=25%。TIM1CC3寄存器的值為0x1FFF,所以TIM1_CH3和TIM1_CH3N產(chǎn)生一個17.57KHz的信號，它的占空比為:TIM1_CH3占空比=TIM1_CCR3/(TIM1_Period+1)=12.5%。TIM1波形可以在示波器上顯示出來。輸出信號觀察下列引腳分別依次接到示波器上（兩個一組），示波器接線正接觸線下列引腳，負(fù)接觸線接地（GND）?！IM1_CH1pin(PA8)；·TIM1_CH1Npin(PB13)；·TIM1_CH2pin(PA9)；·TIM1_CH2Npin(PB14)；·TIM1_CH3pin(PA10)；·TIM1_CH3Npin(PB15)；·TIM1_CH4pin(PA11)。第4章軟件設(shè)計4.1.2MDK370[11]RealViewMDK（MiertocontrollerDevelopmentKit）是ARM公司最先推出的基于ARM微控制器的專業(yè)嵌入式開發(fā)工具。它采用了ARM的最新技術(shù)編工具RVCT，集成了享譽(yù)全球的μVisionIDE，因此特別易于使用，同時具備非常高的性能。它適合不同層次的開發(fā)者使用，包括專業(yè)的應(yīng)用程序開發(fā)工程師和嵌入式軟件開發(fā)的入門者。MDK包括符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RealView編譯工具、測試器以及實時內(nèi)核等組件，支持所有基于ARM的設(shè)備，能幫助工程師按照計劃完成項目?！DK提供啟動代碼生成向?qū)А岣唛_發(fā)效率；·MDK提供強(qiáng)大的設(shè)備模擬器——縮短開發(fā)周期：目標(biāo)設(shè)備的所有組件都可仿真，代碼可在整個設(shè)備上運(yùn)行。完全的目標(biāo)硬件仿真，完整的目標(biāo)，高效指令集仿真，中斷仿真，片內(nèi)外圍設(shè)備有ADC,DAC,EBI,Timers，UART,CAN，I2C,包含外部信號和I/O。充足的仿真信息，包含在設(shè)備數(shù)據(jù)庫里。·MDK提供高效的性能開發(fā)工具；·MDK支持最新的Cortex-M3處理器：Cortex-M3處理器是ARM公司推出的最新的針對微控制應(yīng)用的內(nèi)核，提供業(yè)界領(lǐng)先的高性能和低成本解決方案，將成為MCU應(yīng)用的熱點和主流。但是目前能支持Cortex-M3構(gòu)架的開發(fā)工具很少，包括SDT，ADS1.2等多數(shù)開發(fā)工具都不支持。MDK是目前性價比最高的支持Cortex-M3處理器的開發(fā)工具?！DK集成了Flash編程模塊；·MDK提供業(yè)界最好的μVisionIDE—易學(xué)易懂5.1JTAG仿真器介紹[11]J-Link是支持仿真ARM內(nèi)核芯片的JTAG仿真器。配合IAREWARM，ADS，KEIL，WINARM，RealView等集成開發(fā)環(huán)境支持所有ARM7/ARM9內(nèi)核芯片的仿真，通過RDI接口和各集成開發(fā)環(huán)境無縫連接，操作方便、連接方便、簡單易學(xué)，是學(xué)習(xí)開發(fā)ARM最好最實用的開發(fā)工具。DQ電子推出的J-LinkV7仿真器采用原版固件，參照原版原理圖，經(jīng)過DQ團(tuán)隊的長時間精工制作，板型合理，元件布局美觀大方，走線嚴(yán)謹(jǐn)精致，并且每一個產(chǎn)品都經(jīng)過功能和老化測試，功能完全與原版一致，支持在線升級。J-LinkARM主要特點：·IAREWARM集成開發(fā)環(huán)境無縫連接的JTAG仿真器?！ぶС炙蠥RM7/ARM9內(nèi)核的芯片，以及cortexM3，包括Thumb模式?！ぶС諥DS,IAR,KEIL,WINARM,REALVIEW等幾乎所有的開發(fā)環(huán)境?！は螺d速度高達(dá)ARM7:600kB/s，ARM9:550kB/s，通過DCC最高可達(dá)800kB/s*最高JTAG速度12MHz?！つ繕?biāo)板電壓范圍1.2V－3.3V。·自動速度識別功能。·監(jiān)測所有JTAG信號和目標(biāo)板電壓。·完全即插即用。·使用USB電源（可接通J12跳線給目標(biāo)板供電，出廠時未接通）?！SB連接線和20芯JTAG連接排線?！ぶС侄郕TAG器件串行連接?！?biāo)準(zhǔn)20芯JTAG仿真插頭?！-LinkTCP/IPserver，允許通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)使用J-Link支持的內(nèi)核：·ARM7TDMI（Rev1）；·ARM7TDMI（Rev3）；·ARM7TDMI-S（Rev4）；·ARM720T；·CORTEXM3。5.3現(xiàn)象及結(jié)果通道1和其互補(bǔ)通道，頻率為17.57kHz，占空比為50%，PWM輸出顯示如圖5-1：圖5-1通道1與其互補(bǔ)通道的PWM輸出圖通道2頻率17.57kHz，占空比為25%，其互補(bǔ)通道頻率17.57kHz，占空比為75%，PWM輸出顯示如圖5-2。圖5-2通道2與其互補(bǔ)通道的PWM輸出圖通道3頻率17.57kHz，占空比為12.5%，其互補(bǔ)通道頻率17.57kHz，占空比為87.5%，PWM輸出顯示如圖5-3。圖5-3通道3與其互補(bǔ)通道的PWM輸出圖[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分第四版[M].北京：高等教育出版社，1999.6.[2]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第四版[M].北京：高等教育出版社，1999.6.[3]王福瑞等．單片微機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計大全［M］．北京航空航天大學(xué)出版社,1998(331－337)．

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