MCU的IO口模拟PWM信号

本文介绍了如何利用单片机的GPIO口模拟PWM信号,主要涉及占空比和频率的概念。通过定时器控制GPIO口的高低电平翻转时间,可以调整PWM信号的频率和占空比。讲解了占空比是高电平时间与周期的比例,频率是每秒周期数。此外,还阐述了在保持频率不变的情况下,如何通过改变高电平时间T1来调整占空比,并指出高频率PWM信号可能需要带PWM外设的MCU。最后,提及PWM在电机调速和驱动中的应用。

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单片机的GPIO口可以产生PWM信号,可以使用定时器来实现。使用定时器控制GPIO口的高电平和低电平的翻转时间即可实现输出方波的频率控制占空比控制

PWM的两个指标: 占空比和频率,普通的IO只要能控制高低电平变化就可以模拟PWM信号了。

什么叫占空比?
高电平时间占整个周期时间的比例叫占空比,比如一个周期为100ms,高电平部分占了40ms,那么占空比就是40%。

什么叫频率?
每秒种的周期数叫做频率,假如每秒产生50个波形,那么频率就是50Hz。

IO口输出PWM信号的思路
所谓PWM信号是指脉冲宽度调制信号,通过改变高电平持续时间和低电平持续时间实现信号的调节。如果单片机的GPIO口输出高电平持续的时间为1秒钟,然后输出低电平持续时间也是1秒钟,则该信号的周期就为2秒钟,占空比为50%。所以只需要改变高电平持续的时间或者低电平持续的时间,就可以实现脉冲宽度的调制。这里就需要用到定时器来控制GPIO口的定时翻转。

在这里插入图片描述
假设单片机输出高电平所持续的时间为T1,翻转为低电平后持续的时间为T2,那么周期就为T1+T2,占空比就为T1/(T1+T2),所以如果保持频率不变只改变占空比,就只修改T1,且保证T1+T2不变。但是因受MCU时钟和IO电平转换速度的限制,频率很高的PWM信号是没法用普

### C语言实现IO模拟PWM的方法 在嵌入式开发中,当硬件未提供专用的PWM模块或者需要额外的PWM信号时,可以通过软件方式利用GPIO模拟PWM输出。以下是通过C语言实现IO模拟PWM的具体方法。 #### 方法概述 使用延时函数配合GPIO状态切换可以实现简单的PWM功能。核心思路是在指定的时间间隔内改变GPIO的状态(高电平/低电平),从而形成所需的占空比频率。这种方法虽然简单易懂,但由于依赖于CPU执行循环延时操作,可能会占用较多处理器资源[^4]。 #### 示例代码 以下是一个基于STM32微控制器的C语言示例代码,用于通过GPIO模拟PWM: ```c #include "stm32f10x.h" #define PWM_PIN GPIO_Pin_12 // 定义使用的GPIO引脚 #define PWM_PORT GPIOA // 定义GPIO void GPIO_Configuration(void); void delay_us(uint32_t us); int main(void) { uint32_t duty_cycle = 50; // 占空比 (百分比形式) uint32_t period = 10000; // 周期时间 (单位:us) GPIO_Configuration(); // 配置GPIO while (1) { for (uint32_t i = 0; i < period * duty_cycle / 100; i++) { // 高电平持续时间 GPIO_SetBits(PWM_PORT, PWM_PIN); // 设置为高电平 delay_us(1); // 微秒级延迟 } for (uint32_t j = 0; j < period * (100 - duty_cycle) / 100; j++) { // 低电平持续时间 GPIO_ResetBits(PWM_PORT, PWM_PIN); // 设置为低电平 delay_us(1); // 微秒级延迟 } } } // 配置GPIO初始化函数 void GPIO_Configuration(void) { RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // 启用GPIOA时钟 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = PWM_PIN; // 配置特定引脚 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽输出模式 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; // 输出速度设置 GPIO_Init(PWM_PORT, &GPIO_InitStructure); // 初始化GPIO } // 微秒级延时函数 void delay_us(uint32_t us) { volatile uint32_t count = us * (SystemCoreClock / 1000000UL / 3); // 计算所需循环次数 while (count--) {} } ``` 上述代码展示了如何通过GPIO模拟PWM输出。程序的核心逻辑是根据设定的周期时间占空比分别计算高电平低电平的持续时间,并通过精确的延时控制完成交替输出。 #### 关键点解析 1. **延时精度** 使用`delay_us()`函数实现了微秒级别的延时。该函数的准确性取决于系统的主频(SystemCoreClock),因此需确保系统时钟配置正确。 2. **占空比调整** `duty_cycle`变量决定了高电平相对于整个周期所占的比例。将其转换为具体的时间片数以便逐个处理。 3. **GPIO配置** STM32系列MCU中的GPIO需要先经过初始化才能正常工作。这里选择了推挽输出模式并设置了最大输出速度以满足快速开关的需求。 --- ###
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