STM32单片机PWM输出技术：深入理解PWM原理，实现灵活的脉宽调制，控制电机和LED

# 1. STM32单片机PWM输出技术简介

PWM（脉宽调制）是一种广泛应用于单片机系统的数字输出技术，它通过改变脉冲宽度来控制输出信号的幅值或占空比。在STM32单片机中，PWM外设提供了丰富的配置选项，支持多种波形生成和调制方式，可广泛应用于电机控制、LED驱动、音频输出等领域。

# 2. PWM原理深入解析

### 2.1 PWM基本概念和工作原理

脉宽调制（PWM）是一种数字调制技术，通过改变脉冲的宽度来控制模拟信号的幅度。在PWM中，一个周期内高电平和低电平的时间比例表示模拟信号的幅度。

**PWM工作原理：**

1. **生成载波信号：**PWM外设生成一个周期性方波信号，称为载波信号。载波信号的频率和占空比固定。
2. **比较载波信号和参考信号：**PWM外设将载波信号与一个可变的参考信号进行比较。参考信号的幅度决定了输出脉冲的宽度。
3. **生成PWM输出：**当载波信号大于参考信号时，输出为高电平；当载波信号小于参考信号时，输出为低电平。

### 2.2 PWM输出波形分析和调制方式

**PWM输出波形：**

PWM输出波形是一个周期性方波，其占空比由参考信号的幅度决定。占空比定义为高电平时间除以周期时间的比值。

**PWM调制方式：**

* **边缘对齐模式：**载波信号和参考信号的上升沿或下降沿对齐。
* **中心对齐模式：**载波信号和参考信号的中心点对齐。

### 2.3 STM32单片机PWM外设架构

STM32单片机提供专用的PWM外设，称为高级定时器（TIM）。TIM外设包含以下关键组件：

* **计数器：**一个16位或32位计数器，用于生成载波信号。
* **比较器：**多个比较器，用于将载波信号与参考信号进行比较。
* **输出引脚：**用于输出PWM信号的引脚。

**TIM外设架构图：**

graph LR
subgraph TIM外设架构
    A[计数器] --> B[比较器]
    B --> C[输出引脚]
end

**TIM外设寄存器：**

* **TIMx_CR1：**控制寄存器，用于配置计数器模式和时钟源。
* **TIMx_PSC：**预分频寄存器，用于设置计数器预分频因子。
* **TIMx_ARR：**自动重装载寄存器，用于设置计数器重装载值。
* **TIMx_CCR1：**比较寄存器，用于设置比较值。
* **TIMx_CCER：**捕获/比较使能寄存器，用于使能比较器。

**PWM输出配置步骤：**

1. 配置计数器模式和时钟源。
2. 设置计数器预分频因子。
3. 设置自动重装载值。
4. 设置比较值。
5. 使能比较器。

# 3.1 PWM外设初始化和配置

**PWM外设初始化**

PWM外设初始化是PWM编程实践的第一步。它涉及配置时钟、引脚复用和PWM外设寄存器。

**时钟配置**

PWM外设需要一个时钟源才能工作。时钟源可以是内部时钟（如HSI或LSI）或外部时钟（如晶振）。时钟频率决定了PWM输出波形的频率。

**引脚复用**

PWM输出引脚必须配置为PWM功能。这可以通过设置GPIO寄存器中的复用位来实现。

**PWM外设寄存器配置**

PWM外设寄存器控制PWM输出的各种参数，包括频率、占空比和调制模式。主要寄存器包括：

- **ARR（自动重载寄存器）：**设置PWM周期。
- **CCR（比较寄存器）：**设置PWM占空比。
- **PSC（预分频器）：**分频时钟源，降低PWM输出频率。
- **CR1（控制寄存器 1）：**控制PWM输出使能、极性和死区时间。

**代码示例：**

// 初始化 PWM 外设
void pwm_init(void) {
  // 时钟配置
  RCC->APB1ENR1 |= RCC_APB1ENR1_TIM2EN; // 使能 TIM2 时钟

  // 引脚复用
  GPIOA->AFR[0] |= GPIO_AFRL_AF1_TIM2_CH1; // 将 PA0 配置为 TIM2_CH1

  // PWM 外设寄存器配置
  TIM2->ARR = 1000; // 设置 PWM 周期为 1000
  TIM2->CCR1 = 500; // 设置 PWM 占空比为 50%
  TIM2->PSC = 100; // 设置预分频器