第 40 章呼吸灯与 SPWM 波

最新推荐文章于 2024-04-23 16:11:32 发布

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#stm32 #单片机 #嵌入式硬件

本文详细介绍了使用STM32通过PWM技术实现呼吸灯效果的原理和步骤，包括呼吸灯和SPWM波形的生成。内容涵盖PWM控制基础，如脉冲宽度调制(PWM)的工作原理，以及如何利用STM32定时器配置PWM输出，通过计算法和调制法生成拟合呼吸曲线的PWM波形。此外，还提供了硬件设计建议和单色呼吸灯实验的编程要点，以及如何扩展到输出SPWM波形以控制RGB全彩LED灯。

40.1 呼吸灯简介

呼吸灯，就是指灯光设备的亮度随着时间由暗到亮逐渐增强，再由亮到暗逐渐衰减，很有节奏感地一起一伏，就像是在呼吸一样。

40.2 呼吸灯与 PWM 控制原理

呼吸的特性是一种类似图指数曲线中的指数曲线过程，吸气是指数上升过程，呼气是指数下降过程，成年人吸气呼气整个过程持续约 3 秒。

在这里插入图片描述

实现过程：

要控制 LED 灯达到呼吸灯的效果，实际上就是要控制 LED 灯的亮度拟合呼吸特性曲线。前面控制全彩 LED 灯时，通过控制脉冲的占空比来调整各个通道 LED 灯的亮度，从而达到混色的效果。若控制脉冲的占空比在 3 秒的时间周期内按呼吸特性曲线变化，那么就可以实现呼吸灯的效果

运用原理：

使用脉冲占空比拟合不同波形的方式称为 PWM(脉冲宽度调制) 控制技术——通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

PWM 控制的基本原理为：冲量相等而开头不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。其中冲量指窄脉冲的面积；效果相同指环节输出响应波形基本相同。

PWM等效正弦波：

• 把正弦半波 N 等分，可看成 N 个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；

• 用矩形脉冲代替，各个矩形脉冲等幅，不等宽，中点重合，脉冲宽度按正弦规律变化，脉冲的总面积（冲量）与正弦半波相等。
在这里插入图片描述

这种脉冲波形被称为 SPWM 波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形。

若把拟合的波形改成呼吸特性曲线，即可得到控制呼吸灯使用的 PWM 波形，要生成拟合的 PWM波形，通常使用计算法和调制法：

(1) 计算法：根据拟合波形的频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算 PWM 波各脉冲宽度和间隔，据此控制开关器件的通断，就可得到所需 PWM 波形；

(2) 调制法：拟合波形作调制信号，进行调制得到期望的 PWM 波；该方法一般采用等腰三角波为载波，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称。载波 (等腰三角波) 与平缓变化的调制信号波 (即要拟合的波形) 相交，在载波与信号波的交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合 PWM 的要求，见图调制法得到 PWM 波。相对于计算法，其处理过程计算简单。
在这里插入图片描述

使用计算法得到的呼吸曲线 PWM 波和 SPWM 波，并使用 STM32定时器 TIM 的 PWM 功能输出波形控制 LED 灯，达到呼吸灯的效果。

40.3 硬件设计

在这里插入图片描述

因为本实验的软件将使用 STM32 的定时器控制输出 PWM 脉冲，然而并不是任意 GPIO 都具有 STM32 定时器的输出通道功能，所以在设计硬件时，需要根据《STM32 中文数据手册》中的说明，选择具有定时器输出通道功能的引脚来控制 RGB 灯

在这里插入图片描述

40.4 单色呼吸灯实验

4.1 编程要点

初始化 PWM 输出通道，初始化 PWM 工作模式；
计算获取 PWM 数据表；
编写中断服务函数，在中断服务函数根据 PWM 数据表切换比较寄存器的值；

4.2 代码分析

4.2.1 LED 灯硬件相关宏定义

4.2.2 初始化 GPIO

4.2.3 定义 PWM 表

4.2.4 定时器 PWM 配置

4.2.5 定时器中断服务函数

4.2.6 计算拟合波形的周期

• TIMPeriod：定时器的计数周期，它的值必须与 PWM 表中的极大值相等（应用中赋值需要减 1），而 PWM 表的极大值决定了控制的分辨率。例如极大值为 10 时，PWM 占空比只有10 个等级，精确到 0.1，当极大值为 1000 时，PWM 占空比有 1000 个等级，精确到 0.001。

• TIM_Prescaler：定时器时钟分频因子，它控制定时器计数器 CNT 计数加 1 所需要的时间，它的值太大会导致输出的单个 PWM 波周期过长，影响控制的动态特性。如控制 LED 灯时，该值太大会导致 LED 灯开关时间变长，闪烁明显。一般来说，该值越小越好。

• PWM 表的点数：PWM 表的点数即对拟合曲线的采样点数，采样点越多，能更好地还原拟合曲线，采样点太少，可能会导致失真，见图对呼吸特性曲线采样 110 个和 10 个点时的情况。

在这里插入图片描述

• period_class：周期倍数，即 PWM 表中每个元素的循环次数，它影响拟合曲线的周期。当period_class=1 时，可以输出本配置中周期最短的拟合曲线。

• amplitude_class：幅值分级，在后面全彩呼吸灯和 SPWM 实验中，我们还会增加该变量，它可以把拟合曲线的幅值分成 N 个等级，控制时可以选择按某个幅值等级进行输出。本实验中没有配置该参数，所以只能输出最大的等级，即 amplitude_class=1。以上各个参数虽然侧重点不同，但若修改其中的任何一个，最终都会影响到所拟合曲线的周期，所以在实际应用中，通常先设定好 TIMPeriod、TIM_Prescaler、PWM 表的点数以及幅值等级数amplitude_class，得到适合的控制精度、动态特性拟合度以及幅值等级后，然后再调period_class控制拟合曲线的周期，而且 period_class 在程序中动态修改非常方便，不需要重置定时器和PWM表。

最终，我们把本工程配置中的拟合曲线周期计算公式概括如下：

(1) STM32 系统时钟默认频率和周期：f_pclk = 72000000 t_pclk = 1/f_pclk

(2) 定时器 update 事件周期，即定时器中断周期：

t_timer = t_pclk * TIMER_TIM_Prescaler * TIMER_TIM_Period

(3) 每个 PWM 点的时间：T_Point = t_timer * PERIOD_CLASS

(4) 最终，遍历 PWM 表的周期，即拟合曲线的周期：T_PWM = T_Point * POINT_NUM

例如，本工程配置中：

PWM 点数：POINT_NUM = 110

周期倍数：PERIOD_CLASS = 10

定时器定时周期：TIMER_TIM_Period = 1024

定时器分频：TIMER_TIM_Prescaler = 200

代入公式，计算得 T_PWM = 3.128 秒

通过公式的计算可知本工程的配置可使得输出的拟合曲线周期为 3.128 秒，是比较平缓的呼吸周期

4.2.7 主函数

main.c

#include "stm32f10x.h"
#include "./breathinglight/bsp_breathing.h"



/**
  * @brief  主函数
  * @param  无
  * @retval 无
  */
int main(void)
{
   
   			
	/* 初始化呼吸灯 */
	TIMx_Breathing_Init();

	while(1)
	{
   
   
	
	}		
}



/*********************************************END OF FILE**********************/

breathing.h

#ifndef __PWM_BREATHING_H
#define	__PWM_BREATHING_H

#include "stm32f10x.h"

/*PWM表中的点数*/
extern uint16_t  POINT_NUM	;
//控制输出波形的频率
extern __IO uint16_t period_class ;


#define RED_LIGHT 		1
#define GREEN_LIGHT 	2
#define BLUE_LIGHT		3

/*要使用什么颜色的呼吸灯，可选RED_LIGHT、GREEN_LIGHT、BLUE_LIGHT*/
#define LIGHT_COLOR 	RED_LIGHT

/********************定时器通道**************************/
#if  LIGHT_COLOR == RED_LIGHT
/************红灯***************/
	#define   BRE_TIMx                      TIM3

	#define   BRE_TIM_APBxClock_FUN        RCC_APB1PeriphClockCmd
	#define   BRE_TIM_CLK                   RCC_APB1Periph_TIM3
	#define   BRE_TIM_GPIO_APBxClock_FUN   RCC_APB2PeriphClockCmd
	#define   BRE_TIM_GPIO_CLK              (RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_AFIO)

	//红灯的引脚需要重映射
	#define   BRE_GPIO_REMAP_FUN()						GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); 				

	#define  BRE_TIM_LED_PORT               GPIOB
	#define  BRE_TIM_LED_PIN                GPIO_Pin_5

	#define  BRE_TIM_OCxInit                TIM_OC2Init            //通道选择，1~4
	#define  BRE_TIM_OCxPreloadConfig       TIM_OC2PreloadConfig 
	#define  BRE_CCRx                       CCR2

	#define   BRE_TIMx_IRQn                TIM3_IRQn              //中断
	#define   BRE_TIMx_IRQHandler          TIM3_IRQHandler

#elif LIGHT_COLOR == GREEN_LIGHT
/************绿灯***************/
	#define   BRE_TIMx                      TIM3

	#define   BRE_TIM_APBxClock_FUN        RCC_APB1PeriphClockCmd
	#define   BRE_TIM_CLK                   RCC_APB1Periph_TIM3
	#define   BRE_TIM_GPIO_APBxClock_FUN   RCC_APB2PeriphClockCmd
	#define   BRE_TIM_GPIO_CLK              (RCC_APB2Periph_GPIOB)

	//绿灯不需要重映射
	#define   BRE_GPIO_REMAP_FUN()				


	#define  BRE_TIM_LED_PORT               GPIOB
	#define  BRE_TIM_LED_PIN                GPIO_Pin_0

	#define  BRE_TIM_OCxInit                TIM_OC3Init            //通道选择，1~4
	#define  BRE_TIM_OCxPreloadConfig       TIM_OC3PreloadConfig 
	#define  BRE_CCRx                       CCR3

	#define   BRE_TIMx_IRQn                TIM3_IRQn              //中断
	#define   BRE_TIMx_IRQHandler          TIM3_IRQHandler

#elif LIGHT_COLOR == BLUE_LIGHT
/************蓝灯***************/
	#define   BRE_TIMx                      TIM3

	#define   BRE_TIM_APBxClock_FUN        RCC_APB1PeriphClockCmd
	#define   BRE_TIM_CLK                   RCC_APB1Periph_TIM3
	#define   BRE_TIM_GPIO_APBxClock_FUN   RCC_APB2PeriphClockCmd