STM32入门_PWM_数字引脚输出正弦波实现呼吸灯

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引言

通过配置STM32的输出可以对负载进行控制，对于只有开启、关闭两种工作状态的负载，GPIO + 继电器 可以完成对此类负载的控制，通过GPIO控制继电器的闭合、断开，从而达到控制开启与关闭的目的。

对于具有多种状态的负载，例如直流电机，不仅只有开启、关闭两种状态，还需要运行在不同转速，需要STM32具有能够输出“模拟量”的能力，进而控制负载运行在不同的状态。

本文将介绍 PWM + 低通滤波器 方案，实现数字引脚输出正弦波，并驱动LED进行测试，实现呼吸灯的效果，为后续使用PWM控制电机等负载做基础。

1、基本原理

下图展示了固定占空比的PWM，只能等效固定电平，不同占空比PWM信号可以等效不同大小的电压，那么按照正弦规律输出不同占空比可以等效出正弦波。 在这里插入图片描述

输出正弦规律占空比最简单的方法：使用 锯齿波 + 比较器。

  • 锯齿波(蓝色线)为载波，周期信号，其周期决定PWM信号的周期
  • 正弦波（红色线）为调制波，与载波进行比较，决定PWM信号的占空比
  • 粉红色线为PWM信号

比较逻辑：当调制波比载波大是，PWM输出高，调制波比载波小，PWM输出低。

根据面积等效原理（Voltage-Second Balance），每个周期内，冲量相等（即窄脉冲的面积）而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，输出响应波形基本相同，红色波形窄脉冲与粉红色窄脉冲围成的面积相等，所以两者等效。 在这里插入图片描述

综上，需要使用STM32实现，

  • 硬件生成锯齿波
  • 软件生成调制波
  • 执行比较逻辑
  • 输出PWM信号

下面使用STM32的高级定时器TIM1输出可以等效50Hz的正弦波的PWM信号，驱动LED实现呼吸灯。

2、PWM底层配置

使用STM32CubeMx进行底层配置，并自动生成代码，

步骤1：配置定时器的时钟

时钟配置为72MHz，

在这里插入图片描述

步骤2：配置载波频率、PWM输出

载波频率 = 定时器时钟 / (Prescaler + 1) / (Period + 1) = 72MHz/72/200 = 5KHz 在这里插入图片描述

步骤3：配置定时器中断

配置定时器上溢中断，应用代码中在上溢中断中更新PWM输出比较值， 在这里插入图片描述

步骤4：生成底层配置代码

在这里插入图片描述

3、编写应用代码

底层配置已经生成锯齿波，配置PWM输出后可执行比较逻辑输出PWM信号，如何生成正弦波？如何控制正弦波频率？

步骤5：软件生成正弦波

  • 通过C标准库中sin函数生成正弦波数组
  • 正弦波频率由正弦波周期内的采样点个数决定，正弦波频率 = 载波频率 / 采样点个数。需求正弦波频率是50Hz，载波频率是5KHz，采样点个数100。
#define SIN_SAMPLES 100
#define PI 3.14
uint16_t sin_table[SIN_SAMPLES];
for (int i = 0; i < SIN_SAMPLES; i++) {
    sin_table[i] = (uint16_t)(100* (1 + sin(2 * PI * i / SIN_SAMPLES))); 
}

程序运行后生成的正弦数组如下所示， 在这里插入图片描述

步骤6：定时器中断查表更新比较值

打开定时器、启用中断，

  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);             //启动定时器并启用中断
  HAL_TIM_PWM_Start_IT(&htim1,TIM_CHANNEL_1);//启动PWM输出

在定时器中断查正弦表更新PWM占空比，

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) 
{
    if (htim->Instance == TIM1) 
	{
		if(count < 100)
		{
			 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, sin_table[count]);//查表更新占空比
			count++;
		}
		else
		{
			count = 0;
		}
   }
}

步骤6：PWM输出引脚增加RC低通滤波器

在PWM输出引脚后连接RC低通滤波器，RC低通滤波器的截止频率需要略高于目标正弦波频率。

RC电路的截止频率为fc=12πRCf_c = \frac{1}{2\pi RC}

  • RR为电阻值（单位：欧姆）
  • CC为电容值（单位：法拉）

4、测试

示波器测量PWM输出引脚的输出波形。

PWM的频率为5KHz，符合预期设计，如下图所示， 在这里插入图片描述 正弦波的频率为50Hz，符合设计预计，如下视频所示，

B站视频链接

参考

[1] CSDN博客: STM32开发板上生成PWM正弦波

[2] 百科: 脉冲宽度调制

[3] B站: 【STM32】动画讲解轻松学会STM32的PWM

[4] CSDN博客: SPWM基本原理详解（图文并茂+公式推导+C程序实现）

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