--- title: '[LibOpenCM3 × STM32教學-4] 輸出PWM並控制Duty Cycle及頻率' description: '我在 2022 年 9 月重新寫了與本文內容相近的文章，建議可以觀看新文章： - STM32 PWM 脈波寬度調變 - STM32 LibOpenCM3：PWM 脈波寬度調變 前言 LibOpenCM...' canonical: 'https://blog.ziteh.dev/posts/libopencm3-example-pwm' created: 2022-04-26T12:55:00.000Z tags: ['STM32', '電子電路', '教學', 'C/C++', '程式', '嵌入式'] categories: ['LibOpenCM3 × STM32教學'] author: 'ZiTe' rights: 'CC BY-NC-SA' --- 我在 2022 年 9 月重新寫了與本文內容相近的文章，建議可以觀看新文章： - [STM32 PWM 脈波寬度調變](https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10297647) - [STM32 LibOpenCM3：PWM 脈波寬度調變](https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10297654) ## 前言 [LibOpenCM3](https://libopencm3.org/) 是一個 Open-Source 的 ARM Cortex-M3 微控制器底層硬體函式庫，支援包含 STM32 在內的多種微控制器。 本文將以 STM32F103RB（Nucleo F103RB）作為示範，介紹如何使用 LibOpenCM3 寫出 STM32 的 PWM（Pulse-Width Modulation） 功能，並且可以控制頻率與 Duty Cycle（佔空比）。 ## 正文 在 STM32 中，PWM 的功能是由 Timer 所實現的，並藉由設定 CCR（捕獲/比較暫存器） 的值來調整 Duty Cycle。 ### 完整程式 ```c /** * @file main.c * @brief Basic PWM(Pulse-width modulation) output example. */ #include #include #include #define PWM_FREQUENCY (1000) /* PWM frequency in Hz. */ #define PWM_DUTY_CYCLE (72.5) /* PWM duty-cycle in %. */ /* * PER = {f_tim / [(PRS + 1) * f_pwm]} - 1 * * f_pwm: PWM frequency. * f_tim: Timer frequency. The value is 'rcc_apb1_frequency * 2' equal 48MHz in this case. * PRS: PWM timer prescaler. * PER: PWM timer period. */ #define PWM_TIMER_PRESCALER (48 - 1) #define PWM_TIMER_PERIOD (((rcc_apb1_frequency * 2) / ((PWM_TIMER_PRESCALER + 1) * PWM_FREQUENCY)) - 1) void gpio_setup(void) { /* Timer3-Channel2 on PA7 (NUCLEO-F103RB). */ rcc_periph_clock_enable(RCC_GPIOA); gpio_set_mode(GPIOA, GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ, GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_PUSHPULL, GPIO7); } /** * @brief Setup PWM on Timer3-Channel2. */ void pwm_setup(void) { rcc_periph_clock_enable(RCC_TIM3); timer_set_mode(TIM3, TIM_CR1_CKD_CK_INT, TIM_CR1_CMS_EDGE, TIM_CR1_DIR_UP); timer_disable_preload(TIM3); timer_continuous_mode(TIM3); timer_set_prescaler(TIM3, PWM_TIMER_PRESCALER); timer_set_period(TIM3, PWM_TIMER_PERIOD); timer_set_oc_mode(TIM3, TIM_OC2, TIM_OCM_PWM1); timer_set_oc_value(TIM3, TIM_OC2, (PWM_TIMER_PERIOD + 1) * (PWM_DUTY_CYCLE / 100.0)); timer_enable_oc_output(TIM3, TIM_OC2); timer_enable_counter(TIM3); } int main(void) { /* Setup system clock = 48MHz. */ rcc_clock_setup_in_hsi_out_48mhz(); gpio_setup(); pwm_setup(); /* Halt. */ while (1) { __asm__("nop"); } return 0; } ``` ### 程式分段說明 #### 引入函式庫 ```c #include #include #include ``` 除了基本的「RCC」及「GPIO」外，由於 PWM 是透過 Timer 所實現的，所以還要引入「Timer」。 #### PWM 數值宣告 ```c #define PWM_FREQUENCY (1000) /* PWM frequency in Hz. */ #define PWM_DUTY_CYCLE (72.5) /* PWM duty-cycle in %. */ ``` 宣告 PWM 的目標頻率及 Duty Cycle 以供後續計算。 #### PWM 頻率設定 ```c #define PWM_TIMER_PRESCALER (48 - 1) #define PWM_TIMER_PERIOD (((rcc_apb1_frequency * 2) / ((PWM_TIMER_PRESCALER + 1) * PWM_FREQUENCY)) - 1) ``` 這裡算是本文的重點之一，也就是如何設定 PWM 的頻率。 首先： ```text f_pwm = f_tim / [(PRS + 1) * (PER + 1)] ``` 所以： ```text PER = {f_tim / [(PRS + 1) * f_pwm]} - 1 ``` 其中： - `f_pwm`: PWM frequency，PWM 的頻率. - `f_tim`: Timer frequency， Timer 的頻率. - `PRS`: Timer prescaler，Timer 的預除頻器數值. - `PER`: Timer period，Timer 的週期數值. 透過時鐘樹（[Datasheet](https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/2127datasheet.pdf) P.12, Figure 2. Clock tree）可以知道，我們使用的「Timer 3」的時鐘源是「APB 1」，而在本例中，我們會在主程式呼叫 `rcc_clock_setup_in_hsi_out_48mhz()` 以將系統時鐘設為 48 MHz，這樣將會一併讓「APB 1」的預除頻器（Prescaler）被設定為「除 2」，所以我們的「APB 1」時鐘頻率為 48 MHz / 2 = 24 MHz。 然而，當「APB 1」的預除頻器不等於「除 1」時，「APB 1」的時鐘會先乘 2 再給「Timer 3」，因此「Timer 3」的時鐘頻率 `f_tim` 為 24 MHz \* 2 = 48 MHz。 最後我將 `PRS` 設定為 `48 - 1`，將 `PER` 以上面的公式帶入。 > `rcc_apb1_frequency` 的數值會在呼叫 `rcc_clock_setup_in_hsi_out_48mhz()` 時設定。 #### GPIO 設定 ```c void gpio_setup(void) { /* Timer3-Channel2 on PA7 (NUCLEO-F103RB). */ rcc_periph_clock_enable(RCC_GPIOA); gpio_set_mode(GPIOA, GPIO_MODE_OUTPUT_50_MHZ, GPIO_CNF_OUTPUT_ALTFN_PUSHPULL, GPIO7); } ``` 設定 GPIO 以輸出 PWM 訊號。注意，每個 Timer 的 Channel 能輸出的 GPIO 腳位都不同，像這裡「Timer 3」的「Channel 2」是對應「PA7」，在使用不同 Timer、Channel 時請參考 STM32 Datasheet。 #### PWM Timer 設定 ```c void pwm_setup(void) { rcc_periph_clock_enable(RCC_TIM3); timer_set_mode(TIM3, TIM_CR1_CKD_CK_INT, TIM_CR1_CMS_EDGE, TIM_CR1_DIR_UP); timer_disable_preload(TIM3); timer_continuous_mode(TIM3); timer_set_prescaler(TIM3, PWM_TIMER_PRESCALER); timer_set_period(TIM3, PWM_TIMER_PERIOD); timer_set_oc_mode(TIM3, TIM_OC2, TIM_OCM_PWM1); timer_set_oc_value(TIM3, TIM_OC2, (PWM_TIMER_PERIOD + 1) * (PWM_DUTY_CYCLE / 100.0)); timer_enable_oc_output(TIM3, TIM_OC2); timer_enable_counter(TIM3); } ``` 這裡也是本文的重點之一，在這裡設定好要使用的 Timer 及 PWM Duty Cycle。 `timer_set_oc_value()` 就是改變 CCR 的值，以調整 Duty Cycle。因為我們使用的是「Channel 2」，所以 Output channel 是`TIM_OC2`。 在 `TIM_OCM_PWM1` 模式下，想要輸出 `X`% Duty Cycle 的 PWM，只要把 CCR 的數值也設定成 Timer 週期的 `x`% 就可以了，也就是 `CCR_Value = (PWM_TIMER_PERIOD + 1) * (PWM_DUTY_CYCLE / 100.0)`。 最後以 `timer_enable_oc_output()` 啟動 PWM 的輸出，`timer_enable_counter()` 啟動整個 Timer。 #### 主程式 ```c int main(void) { /* Setup system clock = 48MHz. */ rcc_clock_setup_in_hsi_out_48mhz(); gpio_setup(); pwm_setup(); /* Halt. */ while (1) { __asm__("nop"); } return 0; } ``` 主程式先將系統時鐘設定為 48 MHz，並依序完成 GPIO 及 PWM 的初始化設定，在執行完 `pwm_setup()` 後就會開始輸出 PWM 了，最後就進入一個無限空迴圈。 ## 成果 ![▲ 輸出波形圖](https://bucket.ziteh.dev/blog/libopencm3-example-pwm/1efa4c55.webp) 可以看到輸出的波形誤差很小（設定值為：Duty Cycle 72.5%，頻率 1 kHz）。 ## 結語 本次的程式我一樣有放在 [GitHub](https://github.com/ziteh/stm32-examples) 上，可以使用 PlatformIO 開始專案。 若有什麼問題或錯誤歡迎留言討論。 ## 相關連結 - [STM32 PWM 脈波寬度調變](https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10297647) - [STM32 LibOpenCM3：PWM 脈波寬度調變](https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10297654) - 參考資料 - [STM32F0 with libopencm3 - Part 1: Simple Timer - Collection of useful, and useless information](https://bdebyl.net/post/stm32-part1/) - [Wiki - Pulse-Width Modulation (PWM)](http://wiki.csie.ncku.edu.tw/embedded/PWM) - [STM32F103x8/B Datasheet (DocID 13587, Rev 17)](https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/2127datasheet.pdf)