TIM — PWM 输出

难度: ⭐⭐（需要了解定时器基本概念）
固件库: AT32F403A_407_Firmware_Library V2.2.2
源文件: project/at_start_f403a/examples/tmr/pwm_output_tmr3/src/main.c

这个实验是干嘛的？

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是一种用数字信号模拟模拟信号的技术。

简单说：MCU 只能输出 0V 或 3.3V，不能输出 1.5V。但如果你快速地在 0V 和 3.3V 之间切换，改变高电平的占比，就能模拟出不同的"平均电压"：

1
2
3


占空比 10%:  ┃▄┃▄▄▄▄▄▄▄▄▄  → 平均电压 ≈ 0.33V → LED 很暗
占空比 50%:  ┃▄▄▄▄▄┃▄▄▄▄▄  → 平均电压 ≈ 1.65V → LED 中等亮度
占空比 90%:  ┃▄▄▄▄▄▄▄▄▄┃▄  → 平均电压 ≈ 2.97V → LED 很亮

本实验用 TMR3 的 4 个通道输出 4 路不同占空比的 PWM：

通道 1：50% 占空比
通道 2：37.5%
通道 3：25%
通道 4：12.5%

硬件准备

AT32F403A 开发板
示波器（看波形）或 LED（看亮度变化）

PWM 输出引脚（TMR3 的 4 个通道）：

通道	引脚	占空比
CH1	PA6	50%
CH2	PA7	37.5%
CH3	PB0	25%
CH4	PB1	12.5%

如果接 LED：PA6 的 LED 最亮，PB1 的 LED 最暗。

PWM 核心概念

关键参数

参数	含义	本例数值
ARR（重装载值）	定时器计数到多少归零	665
PSC（预分频器）	时钟分频系数	系统时钟/24MHz - 1
CCR（比较值）	计数到多少时翻转输出	通道不同值不同
占空比	CCR / (ARR+1)	50%, 37.5%, 25%, 12.5%
PWM 频率	时钟 / (PSC+1) / (ARR+1)	24MHz / 1 / 666 ≈ 36KHz

PWM 工作原理

1
2
3
4


计数器: 0 → 1 → 2 → ... → CCR → ... → ARR → 0 → 1 → ...
输出:   高电平 ──────────┐                ┌────────── 高电平
                         └── 低电平 ──────┘
                         ↑ CCR 时刻翻转

计数器从 0 向上计数到 ARR，然后归零重新开始
计数 < CCR 时，输出高电平
计数 ≥ CCR 时，输出低电平
CCR 越大，高电平时间越长，占空比越大

完整代码

  1
  2
  3
  4
  5
  6
  7
  8
  9
 10
 11
 12
 13
 14
 15
 16
 17
 18
 19
 20
 21
 22
 23
 24
 25
 26
 27
 28
 29
 30
 31
 32
 33
 34
 35
 36
 37
 38
 39
 40
 41
 42
 43
 44
 45
 46
 47
 48
 49
 50
 51
 52
 53
 54
 55
 56
 57
 58
 59
 60
 61
 62
 63
 64
 65
 66
 67
 68
 69
 70
 71
 72
 73
 74
 75
 76
 77
 78
 79
 80
 81
 82
 83
 84
 85
 86
 87
 88
 89
 90
 91
 92
 93
 94
 95
 96
 97
 98
 99
100
101
102


#include "at32f403a_407_board.h"
#include "at32f403a_407_clock.h"

/* 4 个通道的比较值（决定占空比） */
uint16_t ccr1_val = 333;   // 333/666 = 50%
uint16_t ccr2_val = 249;   // 249/666 = 37.4%
uint16_t ccr3_val = 166;   // 166/666 = 25%
uint16_t ccr4_val = 83;    // 83/666  = 12.5%

uint16_t prescaler_value = 0;

/* GPIO 配置：把定时器通道映射到引脚 */
void gpio_configuration(void)
{
  gpio_init_type gpio_init_struct;
  gpio_default_para_init(&gpio_init_struct);

  /* PA6(CH1) + PA7(CH2) */
  gpio_init_struct.gpio_pins = GPIO_PINS_6 | GPIO_PINS_7;
  gpio_init_struct.gpio_out_type = GPIO_OUTPUT_PUSH_PULL;
  gpio_init_struct.gpio_pull = GPIO_PULL_NONE;
  gpio_init_struct.gpio_mode = GPIO_MODE_MUX;        // 复用模式！
  gpio_init_struct.gpio_drive_strength = GPIO_DRIVE_STRENGTH_STRONGER;
  gpio_init(GPIOA, &gpio_init_struct);

  /* PB0(CH3) + PB1(CH4) */
  gpio_init_struct.gpio_pins = GPIO_PINS_0 | GPIO_PINS_1;
  gpio_init(GPIOB, &gpio_init_struct);
}

/* 时钟使能 */
void crm_configuration(void)
{
  crm_periph_clock_enable(CRM_TMR3_PERIPH_CLOCK, TRUE);
  crm_periph_clock_enable(CRM_GPIOA_PERIPH_CLOCK, TRUE);
  crm_periph_clock_enable(CRM_GPIOB_PERIPH_CLOCK, TRUE);
}

int main(void)
{
  system_clock_config();

  /* 第一步：使能时钟 */
  crm_configuration();

  /* 第二步：配置 GPIO（复用模式） */
  gpio_configuration();

  /* 第三步：计算预分频值 */
  // 例：系统时钟 240MHz，要得到 24MHz 定时器时钟
  // prescaler_value = 240MHz / 24MHz - 1 = 9
  prescaler_value = (uint16_t)(system_core_clock / 24000000) - 1;

  /* 第四步：定时器基本配置 */
  // ARR = 665，PSC = 9
  // PWM 频率 = 24MHz / (9+1) / (665+1) ≈ 3.6KHz
  tmr_base_init(TMR3, 665, prescaler_value);
  tmr_cnt_dir_set(TMR3, TMR_COUNT_UP);              // 向上计数
  tmr_clock_source_div_set(TMR3, TMR_CLOCK_DIV1);   // 不分频

  /* 第五步：配置 4 个通道为 PWM 模式 */
  tmr_output_config_type tmr_oc_init_structure;
  tmr_output_default_para_init(&tmr_oc_init_structure);

  tmr_oc_init_structure.oc_mode = TMR_OUTPUT_CONTROL_PWM_MODE_A;  // PWM 模式 A
  tmr_oc_init_structure.oc_idle_state = FALSE;
  tmr_oc_init_structure.oc_polarity = TMR_OUTPUT_ACTIVE_HIGH;     // 高电平有效
  tmr_oc_init_structure.oc_output_state = TRUE;                    // 使能输出

  /* 配置通道 1，CCR = 333，占空比 = 333/666 ≈ 50% */
  tmr_output_channel_config(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_1, &tmr_oc_init_structure);
  tmr_channel_value_set(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_1, ccr1_val);
  tmr_output_channel_buffer_enable(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_1, TRUE);

  /* 配置通道 2，CCR = 249，占空比 ≈ 37.4% */
  tmr_output_channel_config(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_2, &tmr_oc_init_structure);
  tmr_channel_value_set(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_2, ccr2_val);
  tmr_output_channel_buffer_enable(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_2, TRUE);

  /* 配置通道 3，CCR = 166，占空比 ≈ 25% */
  tmr_output_channel_config(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_3, &tmr_oc_init_structure);
  tmr_channel_value_set(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_3, ccr3_val);
  tmr_output_channel_buffer_enable(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_3, TRUE);

  /* 配置通道 4，CCR = 83，占空比 ≈ 12.5% */
  tmr_output_channel_config(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_4, &tmr_oc_init_structure);
  tmr_channel_value_set(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_4, ccr4_val);
  tmr_output_channel_buffer_enable(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_4, TRUE);

  /* 使能 ARR 预装载 */
  tmr_period_buffer_enable(TMR3, TRUE);

  /* 第六步：启动定时器 */
  tmr_counter_enable(TMR3, TRUE);

  /* PWM 输出已启动，主循环可以做其他事 */
  while(1)
  {
    // 如果要动态改变占空比，在这里调用：
    // tmr_channel_value_set(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_1, new_ccr_val);
  }
}

代码分段讲解

1. GPIO 复用模式

1

gpio_init_struct.gpio_mode = GPIO_MODE_MUX;  // 复用模式

关键点：PWM 输出的引脚必须配置为复用模式（MUX），不是普通输出模式（OUTPUT）。

为什么？因为引脚的控制权要交给定时器硬件，而不是 CPU。定时器自动翻转引脚电平，CPU 不用管。

2. 预分频器

1

prescaler_value = (uint16_t)(system_core_clock / 24000000) - 1;

定时器的时钟源是系统时钟（比如 240MHz），太快了。预分频器把它降频：

PSC = 9 → 定时器时钟 = 240MHz / 10 = 24MHz
定时器每 41.67ns 计数一次

3. ARR 和 CCR

1
2


tmr_base_init(TMR3, 665, prescaler_value);  // ARR = 665
tmr_channel_value_set(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_1, 333);  // CCR = 333

ARR = 665：计数器从 0 计到 665 就归零，一个周期 = 666 个计数
CCR = 333：计数到 333 时输出翻转
占空比 = 333 / 666 ≈ 50%

4. PWM 模式 A vs B

1

tmr_oc_init_structure.oc_mode = TMR_OUTPUT_CONTROL_PWM_MODE_A;

PWM 模式 A：计数 < CCR 时输出高电平（最常用）
PWM 模式 B：计数 < CCR 时输出低电平（反相）

实验现象

用示波器观察 4 个引脚：

PA6：50% 占空比的方波
PA7：37.5% 占空比
PB0：25% 占空比
PB1：12.5% 占空比

如果接 LED：PA6 最亮，PB1 最暗。

如何动态改变占空比？

1
2


// 在主循环或中断中调用
tmr_channel_value_set(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_1, new_ccr);

new_ccr 范围：0 ~ ARR（0 ~ 665）

new_ccr = 0 → 占空比 0% → LED 灭
new_ccr = 333 → 占空比 50% → LED 半亮
new_ccr = 665 → 占空比 100% → LED 全亮

常见问题

Q: 引脚没有 PWM 输出？

GPIO 是否配置为复用模式（MUX）？普通输出模式不行
定时器时钟是否使能？
tmr_counter_enable() 是否调用？

Q: PWM 频率不对？

检查 PSC 和 ARR 的值
PWM 频率 = 定时器时钟 / (PSC+1) / (ARR+1)
确认系统时钟是否正确（system_core_clock）

Q: 想生成 50Hz PWM（控制舵机）？

舵机需要 50Hz（20ms 周期）
假设定时器时钟 24MHz：ARR = 24000000 / 50 / (PSC+1) - 1
PSC = 11 → ARR = 39999 → 50Hz
CCR 范围：1000~~5000 对应 0.5ms~~2.5ms → 0°~180°

小结

概念	说明
PWM	用数字信号模拟模拟信号
ARR	重装载值，决定 PWM 周期
CCR	比较值，决定占空比
占空比	CCR / (ARR+1)，高电平占比
复用模式	GPIO 必须配置为 MUX 模式
预装载	缓冲写入，避免毛刺

学了 PWM 能做什么？

PWM 是嵌入式中最实用的"万能模拟器"：

LED 控制

项目	原理	难度
LED 呼吸灯	CCR 从 0 渐增到 ARR 再渐减	⭐⭐
RGB 调色	3 路 PWM 控制红绿蓝，混合出任意颜色	⭐⭐
背光调节	LCD/键盘背光亮度无级调节	⭐

电机控制

项目	原理	难度
直流电机调速	PWM + MOS 管 → 改变占空比 = 改变转速	⭐⭐
舵机控制	50Hz PWM，脉宽 0.5~2.5ms → 0°~180°	⭐⭐
步进电机驱动	PWM 控制细分驱动器	⭐⭐⭐
无刷电机（BLDC）	6 路互补 PWM + 死区控制	⭐⭐⭐⭐

音频与信号

项目	原理	难度
蜂鸣器播放音乐	不同频率 PWM = 不同音调	⭐⭐
简易信号发生器	改变频率和占空比输出方波	⭐⭐
DAC 替代	PWM + RC 滤波 → 模拟电压输出	⭐⭐⭐
红外遥控发射	38KHz PWM 载波 + 数据调制	⭐⭐⭐

电源与通信

项目	原理	难度
开关电源	PWM 控制 MOS 管 → DC-DC 降压/升压	⭐⭐⭐⭐
充电控制	PWM 控制充电电流（恒流充电）	⭐⭐⭐
可控硅调光	PWM 控制双向可控硅导通角	⭐⭐⭐

核心思路：PWM 的本质是"用时间换精度"。只要控制高电平的时间占比，就能模拟出任意电压、任意频率的信号。LED 亮度、电机转速、声音音调、电源电压……所有需要"连续调节"的场景，PWM 都能搞定。

下一步：学会了 PWM，可以学 DMA，了解如何用 DMA 配合定时器实现更高级的波形生成。

AT32 TIM — PWM 输出（LED 呼吸灯 + 电机调速的基础）

AT32F403A 定时器 TMR3 输出 4 路不同占空比的 PWM 信号