STM32—TIMx输出PWM信号驱动MG996R舵机

文章目录

• 一.前言
• 二.MG996R舵机简介
• 三.TIM定时器简介
• 四.通用定时器TIMx
• • 1.TIMx主要功能
  • 2.TIMx框图
  • 3.计数单元
  • 4.时钟选择
  • 5.输出比较PWM
• 五.TIM3输出双路PWM信号代码详解
• • 1.TIMx初始化结构体详解
  • 2.TIM3输出俩路PWM初始化代码
  • 3.主函数

一.前言

利用STM32的TIM3的通道1、通道2，输出俩路PWM信号，驱动MG996R舵机。
涉及到：TIM定时器基本原理，TIM定时中断、TIM输出PWM信号、MG996R舵机驱动原理

二.MG996R舵机简介

MG996R舵机单线驱动，是一款360°舵机，180°舵机与360°舵机的区别就是：180°舵机可以直接控制舵机旋转的角度，但舵机只能够旋转180°；360°舵机无法直接控制其旋转角度，只能控制其转动方向和速度。
舵机的驱动信号由周期为20ms的脉冲来控制：
当高电平持续时间为0.5~1.5ms时，舵机正转，时间越小转动越快
当高电平持续时间为1.5~2.5ms时，舵机反转，时间越大转动越快
当高电平持续时间为1.5ms或者其他时间时，舵机停止转动

三.TIM定时器简介

STM32F1系列中，有8个定时器，分别为基本定时器（2个）、通用定时器（2个）、高级定时器（2个），如图：

这些定时器的相同点：
1.计数器的分辨率都是16位；
2.预分频系数都是16位（2的16次方），1-65535；
3.都可以产生DMA请求；
各自的特点：
1.基本定时器只可以向上计数，而通用定时器和高级定时器既可以向上计数也可以向下计数；
2.基本定时器没有输入捕获、输出比较功能；
3.高级定时器支持互补输出；
一般输出PWM信号只用通用定时器即可。

四.通用定时器TIMx

1.TIMx主要功能

通用TIMx定时器（TIM2、TIM3、TIM4和TIM5）功能主要包括如下：

• 16位向上、向下、向上/向下自动装载计数器
• 16位可编程（可以实时修改）预分频器，分频系数为1~65535
• 四种独立通道功能：
  1.输入捕获
  2.输出比较
  3.PWM生成
  4.单脉冲输出
• 使用外部信号控制定时器和定时器互连的同步电路
• 可以由如下事件触发中断或者DMA：
  1.更新，即计数器溢出，或者计数器初始化
  2.特定的触发事件，比如：计数器启动、停止、初始化等等
  3.输入捕获
  4.输出比较
• 支持针对定位的增量（正交）编码器和霍尔传感电路
• 触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理

看起来功能很多，实际做项目的时候都是一条龙服务，就是一套流水线操作就完成了TIMx的全部功能配置。

2.TIMx框图

TIMx的框图如下：

按照我个人的理解和实践中积累的经验，可以将框图从逻辑上分为四部分：
橙色：时基部分，负责选择时钟源
蓝色：计数部分，负责根据预分频后的时钟进行计数、自动装载工作
绿色：输入捕获部分
紫色：输出比较部分

3.计数单元

可编程通用定时器的主要部分是一个16位计数器和其相关的自动装载寄存器，前面也说了，计数器可以向上、向下、双向计数。既然要计数，那就必须要知道计数的多少和每一次计数的时间。计数器的时钟由预分频器对时钟源分频得到。
时基单元包括：

• 计数器寄存器（TIMx_CNT）
• 预分频器寄存器（TIMx_PSC）
• 自动装载寄存器（TIMx_ARR）

计数器寄存器中存储的是当前计数的值，自动装载寄存器中存储的是目标计数值，当计数器溢出后，会重新装填目标计数值，而预分频器寄存器中的是对时钟的分频系数。

4.时钟选择

计数器的时钟可以由如下时钟源提供:

• 内部时钟（CK_INT）
• 外部时钟模式1：外部输入引脚（TIx）
• 外部时钟模式2：外部触发输入（ETR）
• 内部触发输入（ITRx）：使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器

我们主要使用内部时钟CK_INT，CK_INT是从APB1倍频来的，当APB1的时钟分频数为1时（36MHz），TIMx的时钟就是APB1的2倍，即72MHz。

5.输出比较PWM

有专门的三个寄存器来控制PWM：

• 捕获/比较模式寄存器（TIMx_CCMR1/2）
• 捕获/比较使能寄存器（TIMx_CCER）
• 捕获/比较寄存器（TIMx_CCR1~4）

五.TIM3输出双路PWM信号代码详解

1.TIMx初始化结构体详解

输出PWM用到的TIMx初始化结构体有：
1.时基初始化结构体TIM_TimeBaseInitTypeDef
2.输出比较初始化结构体TIM_OCInitTypeDef

1.时基结构体TIM_TimeBaseInitTypeDef
用于定时器基本参数的设置，使用void TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStruct)函数进行初始化：

typedef struct {
 uint16_t TIM_Prescaler;        // 预分频器
 uint16_t TIM_CounterMode;      // 计数模式
 uint32_t TIM_Period;           // 定时器周期
 uint16_t TIM_ClockDivision;    // 时钟分频
 uint8_t TIM_RepetitionCounter; // 重复计算器
 } TIM_TimeBaseInitTypeDef;

TIM_Prescaler：预分频器设置，只有经过预分频器后的时钟才是CK_CNT,计数器时钟频率 (fCK_CNT) 等于fCK_PSC / (PSC[15:0] + 1)，可实现 1 至 65536 分频。
TIM_CounterMode：定时器计数模式，可设置向上计数、向下计数和中心对齐计数三种模式。
TIM_Period：设置的是自动重装寄存器ARR的值，ARR为要装载到影子寄存器的值，可设置 1 至 65536 。
TIM_ClockDivision：时钟分频，设置定时器时钟 CK_INT 频率与死区发生器以及数字滤波器采样时钟频率分频比。可以选择 1、 2、 4 分频。
TIM_RepetitionCounter：重复计数器，只有八位，只存在与高级定时器。

一般来讲，我们只需要设置

uint16_t TIM_Prescaler;        // 预分频器
 uint16_t TIM_CounterMode;      // 计数模式
 uint32_t TIM_Period;           // 定时器周期

这三个成员就可以实现定时器的基本参数设置。

2.输出比较初始化结构体TIM_OCInitTypeDef
使用输出比较模式时就需要配置此结构体，使用void TIM_OCxInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct)函数进行初始化：

typedef struct {
 uint16_t TIM_OCMode;         // 比较输出模式
 uint16_t TIM_OutputState;    // 比较输出使能
 uint16_t TIM_OutputNState;   // 比较互补输出使能
 uint32_t TIM_Pulse;          // 脉冲宽度
 uint16_t TIM_OCPolarity;     // 输出极性
 uint16_t TIM_OCNPolarity;    // 互补输出极性
 uint16_t TIM_OCIdleState;    // 空闲状态下比较输出状态
 uint16_t TIM_OCNIdleState;   // 空闲状态下比较互补输出状态
 } TIM_OCInitTypeDef;

TIM_OCMode：比较输出模式选择，总共有八种，常用的为 PWM1/PWM2。它设定
CCMRx 寄存器 OCxM[2:0]位的值。
TIM_OutputState：比较输出使能，决定最终的输出比较信号 OCx 是否通过外部引脚输
出。它设定 TIMx_CCER 寄存器 CCxE/CCxNE 位的值。
TIM_OutputNState:比较互补输出使能，决定 OCx 的互补信号 OCxN 是否通过外部引脚
输出。它设定 CCER 寄存器 CCxNE 位的值。
TIM_Pulse：比较输出脉冲宽度，实际设定比较寄存器 CCR 的值，决定脉冲宽度。可
设置范围为 0 至 65535。
TIM_OCPolarity：比较输出极性，可选 OCx 为高电平有效或低电平有效。它决定着定
时器通道有效电平。它设定 CCER 寄存器的 CCxP 位的值。
TIM_OCNPolarity：比较互补输出极性，可选 OCxN 为高电平有效或低电平有效。它
设定 TIMx_CCER 寄存器的 CCxNP 位的值。
TIM_OCIdleState：空闲状态时通道输出电平设置，可选输出 1 或输出 0，即在空闲状
态(BDTR_MOE 位为 0)时，经过死区时间后定时器通道输出高电平或低电平。它设定
CR2 寄存器的 OISx 位的值。
TIM_OCNIdleState：空闲状态时互补通道输出电平设置，可选输出 1 或输出 0，即在
空闲状态(BDTR_MOE 位为 0)时，经过死区时间后定时器互补通道输出高电平或低电
平，设定值必须与 TIM_OCIdleState 相反。它设定是 CR2 寄存器的 OISxN 位的值。

当要输出PWM信号时只需要配置如下成员即可：

 uint16_t TIM_OCMode;         // 比较输出模式
 uint16_t TIM_OCPolarity;     // 输出极性
 uint16_t TIM_OutputState;    // 比较输出使能

PWM的模式：

PWM1：向上计数时CNT<CCR 时为有效电平，向下计数时CNT>CCR 时为有效电平
PWM2：向上计数时CNT<CCR 时为无效电平，向下计数时CNT>CCR 时为无效电平

输出极性决定了有效电平是高电平还是低电平。

2.TIM3输出俩路PWM初始化代码

/* 利用TIM3通道2输出PWM  PA6、PA7 输出极性高——高电平有效
ARR：预装载值（决定频率）
CCR：设定的比较值（决定占空比）
CNT：计数值
PWM1：向上计数时CNT<CCR 时为有效电平，向下计数时CNT>CCR 时为有效电平
PWM2：向上计数时CNT<CCR 时为无效电平，向下计数时CNT>CCR 时为无效电平
psc：时钟预分频数
*/
void TIM3_PWM_Init( uint16_t arr,uint16_t psc )
{
	/* 初始化结构体 */
	TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;

	RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE );
	RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE );

	/* PA7:复用推挽输出	*/
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7 ;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init( GPIOA, &GPIO_InitStruct );
	/* PA6:复用推挽输出	*/
	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 ;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init( GPIOA, &GPIO_InitStruct );

	/* 初始化TIM3 基本配置 */
	TIM_DeInit( TIM3 );
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = arr;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = psc;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInit( TIM3, &TIM_TimeBaseInitStruct );

	/* 初始化TIM3通道2 PWM配置 */
/* TIM_OutputNState， TIM_OCNPolarity， TIM_OCIdleState 和 TIM_OCNIdleState 是
高级定时器 TIM1 和 TIM8 才用到的。 */
	TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;//PWM模式1
	TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;//输出极性——高极性
	TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;//输出使能
	TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 199;//比较值CCR，可以不用配置，因为后期肯定要该
	TIM_OC2Init( TIM3, &TIM_OCInitStruct );//PA7
	TIM_OC1Init( TIM3, &TIM_OCInitStruct );//PA6

	/* 使能预装载寄存器 */
	TIM_OC2PreloadConfig( TIM3, TIM_OCPreload_Enable );
	TIM_OC1PreloadConfig( TIM3, TIM_OCPreload_Enable );
	/* 使能自动装载的预装载寄存器 */
	TIM_ARRPreloadConfig( TIM3, ENABLE );

	/* 使能TIM3 */
	TIM_Cmd( TIM3, ENABLE );

/*
	从这里开始TIM3已经开始输出PWM了
	此时PWM输出的频率和占空比都是固定的，可以通过
	void TIM_SetCompare2(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare2);
	函数来调整比较值，从而调整占空比（通道2）
*/
}

传入函数的参数uint16_t arr,uint16_t psc确定了PWM信号的周期，使用void TIM_SetCompare2(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare2);函数改变ccr，从而改变PWM信号的占空比。

3.主函数

int main(void)
{
//	uint8_t k=5;
//	NVIC_PriorityGroupConfig( NVIC_PriorityGroup_2 );
//  TIM4_Delay_Init( 9999,7199 );
	TIM3_PWM_Init( 199,7199 );//  频率为72000000/14400=5000Hz 20ms周期脉冲
//	USART1_Config();

	SysTick_Init();

	/*
		20ms脉冲
	5-14  正转，值越小，转的越快
	16-25 反转，值越大，转的越快
	*/
		TIM_SetCompare1( TIM3, 14 );
		TIM_SetCompare2( TIM3, 14 );
		SysTick_Delay_Ms( 500);
		TIM_SetCompare2( TIM3, 16 );
	    TIM_SetCompare2( TIM3, 16 );
		SysTick_Delay_Ms( 500);
		TIM_SetCompare1( TIM3, 50);
		TIM_SetCompare2( TIM3, 50);

}

可以控制俩个舵机的转动，因为是360°舵机，所以我采用控制舵机转动的速度和转动的时间来控制转动的角度，代码是我亲测可以使用的，有什么疑问可以交流一下，大家共同进步！