基于stm32處理器的PWM 異步驅(qū)動蜂鳴器

這兩天應(yīng)工作需求研究了一下M3處理器的PWM（脈寬調(diào)制）實(shí)現(xiàn)對蜂鳴器的異步控制。鑒于阻塞式對蜂鳴器的控制比較耗時(shí)，影響用戶體驗(yàn)，因此對原有阻塞式控制方案進(jìn)行了改善，提出了異步控制蜂鳴器的實(shí)現(xiàn)方法。以下主要對實(shí)現(xiàn)中需要注意的重點(diǎn)知識以及所遇到的問題進(jìn)行了討論。

PWM波利用M3的定時(shí)器產(chǎn)生，出于對平臺資源的有效利用，選擇定時(shí)器1用來輸出脈寬調(diào)制信號。這就引出了本文的重點(diǎn)，M3定時(shí)器的應(yīng)用。

M3的定時(shí)器資源一共有11個(gè)，其中兩個(gè)高級定時(shí)器（Timer1和Timer8）、4個(gè)通用定時(shí)器（Timer2-Timer5）、2個(gè)普通定時(shí)器（Timer6-Timer7）、2個(gè)看門狗定時(shí)器以及一個(gè)SysTick定時(shí)器。相對于普通定時(shí)器來說，高級定時(shí)器的功能更為強(qiáng)大，相對應(yīng)的應(yīng)用自然更為復(fù)雜，這個(gè)主要體現(xiàn)在電機(jī)控制中，比如直接輸出具有調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間的PWM。不過本項(xiàng)目的應(yīng)用不涉及此點(diǎn)，也就不做討論了。

M3的高級定時(shí)器理解為一個(gè)可供用戶編程的預(yù)分頻器驅(qū)動16bit的計(jì)數(shù)器。主要功能包括利用它的輸入捕獲模式可以實(shí)現(xiàn)對輸入信號脈沖寬度的測量，利用PWM和輸出比較模式可以實(shí)現(xiàn)波形輸出。

M3具有復(fù)雜的時(shí)鐘系統(tǒng)，它的外設(shè)都有自己獨(dú)立的時(shí)鐘控制，這就造成在應(yīng)用上相對比較復(fù)雜一些，但是這為系統(tǒng)在降低功耗方面帶了不小的優(yōu)勢。在實(shí)際應(yīng)用中我們可以關(guān)掉那些不用的外設(shè)，這樣就可以大大的降低功耗。因此，要想熟練的掌握M3，就必須對它的時(shí)鐘樹要很清楚，定時(shí)器的應(yīng)用當(dāng)然也不例外。我們就從時(shí)鐘開始一步步的揭秘M3定時(shí)器的奧妙之處。

高級定時(shí)器1的時(shí)鐘信號流向通過圖1可以清楚的看到。M3處理器使用外部8M高速時(shí)鐘，然后通過內(nèi)部的倍頻因數(shù)為9的鎖相環(huán)將頻率加倍到72M,將此時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘。系統(tǒng)時(shí)鐘通過分頻因數(shù)為1的AHB預(yù)分頻器將72M時(shí)鐘提供給AHB總線，AHB總線通過分頻因數(shù)為1的APB2預(yù)分頻器將72M的時(shí)鐘提供給APB2總線。APB2總線將時(shí)鐘通過一個(gè)倍頻器，與其他倍頻器不同的是這個(gè)倍頻器根據(jù)APB2分頻因數(shù)有系統(tǒng)自動設(shè)置，如果APB2分頻因數(shù)為1，則保持時(shí)鐘不變，否則進(jìn)行2倍頻。通過倍頻之后，接將72M的時(shí)鐘信號提供給高級定時(shí)器1，而時(shí)鐘信號在定時(shí)器內(nèi)部又通過PSC的分頻來驅(qū)動定時(shí)器1的計(jì)數(shù)器。我們對定時(shí)器的操作實(shí)際上主要是通過設(shè)置PSC的分頻值和計(jì)數(shù)器的裝載值來達(dá)到準(zhǔn)確的定時(shí)和輸出需要的波形等功能。。

圖1 Timer1的時(shí)鐘信號流向

理解了定時(shí)器的工作原理及時(shí)鐘信號工作情況后，我們就來具體分析一下如何應(yīng)用。從上文可以看出要想讓M3的定時(shí)器工作首先必須得打開時(shí)鐘，因此在系統(tǒng)進(jìn)行初始化后得到72M的時(shí)鐘后，打開Timer1的時(shí)鐘。這個(gè)可以通過設(shè)置PB2ENR寄存器的第二位實(shí)現(xiàn)，后者也可以利用庫函數(shù)RCC_APB2PeriphClockCmd直接使能。接下來就需要設(shè)置計(jì)數(shù)器初始裝載值TIME1_ARR、分頻器PSC，具體設(shè)置根據(jù)公式1進(jìn)行設(shè)置。例如定時(shí)器1輸入時(shí)鐘為72M時(shí)，設(shè)置PSC（預(yù)分頻器）為7199，當(dāng)ARR（計(jì)數(shù)器裝載數(shù)）為9時(shí)，一次中斷我們就可以得1ms的定時(shí)。至于怎么配置中斷函數(shù)以及中斷函數(shù)然后編寫此處不做贅述，詳情可以參考STM32中文參考手冊。

Time = （1+ARR）*(1+PSC)/Fsys

公式1 定時(shí)器時(shí)間計(jì)算公式

接下來討論一下PWM的產(chǎn)生，在STM32定時(shí)器1-8中除了Timer6和Timer7不能產(chǎn)生PWM外，其它都可以產(chǎn)生。高級定時(shí)器1和8可以產(chǎn)生7路的PWM波，其它的可以產(chǎn)生4路。對于波的輸出頻率也利用公式1進(jìn)行計(jì)算，至于波的占空比取CCR/ARR。我們以圖2中3路不同占空比的波來看，它們的頻率都一樣約為1.2khz，計(jì)算值與測量值存在13hz的誤差，這個(gè)是處理器本身的精度造成的。對于第一個(gè)波形來說ARR = 59999、CCR = 30000，就得到了約等于1.2Khz且50%占空比的波。而第二個(gè)波的ARR = 59999、CCR = 15000,就得到了頻率約為1.2khz且25%占空比的波。

圖2 Time1 PWM波仿真圖

既然需要輸出波對Beep進(jìn)行控制，那么就需要進(jìn)行IO口的設(shè)置，基本IO口的設(shè)置大家應(yīng)該比較清楚，這里只介紹比較容易出錯(cuò)的地方，這就是關(guān)于管腳重映射，具體設(shè)置見圖表1。由于在本項(xiàng)目中Beep是連接到PA11的，由表1可見PA11沒有完全映像，因此對它只進(jìn)行復(fù)用設(shè)置或者設(shè)置成部分映像。這里對時(shí)鐘的設(shè)置除了打開PA口時(shí)鐘，還需打開復(fù)用時(shí)鐘。

表1 定時(shí)器1管腳復(fù)用功能映像

除了以上設(shè)置之外當(dāng)然還有一些基本設(shè)置比如設(shè)置計(jì)數(shù)器向上加模式、極性為正、輸出使能、使用PWM模式1或者模式2、使能預(yù)裝載寄存器等基本設(shè)置。

因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)異步控制，因此還利用了M3的定時(shí)器2，利用定時(shí)器2對PWM波的輸出進(jìn)行控制。定時(shí)器2的應(yīng)用與1類似，只需配置成定時(shí)模式即可。根據(jù)需要定時(shí)一定的時(shí)間，在中斷處理函數(shù)中關(guān)掉定時(shí)器1即可。

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