STM32输出PWM波形错误解析

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奔跑的悍匪

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分类专栏：硬件调试嵌入式系统

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一、背景

项目中需要用STM32F407输出4路PWM波形控制两个A4950模块，从而驱动2个直流电机。使用TIM1的在PE9、PE11、PE13、PE14上分别产生4路PWM波形，前两路（记作pwm1、pwm2，分别接A4950的IN1和IN2）控制电机1，后两路（记作pwm1、pwm2，分别接另一个A4950的IN1和IN2）控制电机2。

根据A4950的芯片手册，电机正转时，IN1给占空比不为0的pwm波形，IN2给占空比为100%的信号；电机反转时，IN1给占空比为100%的信号，IN2给占空比不为0的pwm波形。于是，配置TIM1的4路输出采用PWM1模式，有效电平为高电平。代码如下：

void PWM_TIM_Config(uint32_t Cycle)
{
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStrcture;
	TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(PWM_TIM_CLK,ENABLE); //使能TIM1时钟
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(PWM_OUT_PORT_CLK,ENABLE); //使能GPIOE时钟
	
        //配置PE9
	GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
        GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
	GPIO_InitStructure.GPIO_OType =GPIO_OType_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =PWM1_OUT_PIN ;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_High_Speed;
	GPIO_Init(PWM1_OUT_PORT,&GPIO_InitStructure); 
	
        //配置PE11
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =PWM2_OUT_PIN ;
	GPIO_Init(PWM2_OUT_PORT,&GPIO_InitStructure); 
	
        //配置PE13
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =PWM3_OUT_PIN ;
	GPIO_Init(PWM3_OUT_PORT,&GPIO_InitStructure);

        //配置PE14
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =PWM4_OUT_PIN ;
	GPIO_Init(PWM4_OUT_PORT,&GPIO_InitStructure); 
	
        //把PE9、PE11、PE13、PE14连接到TIM1
	GPIO_PinAFConfig(PWM1_OUT_PORT,PWM1_PINSOURCE,PWM1_AF);	
	GPIO_PinAFConfig(PWM2_OUT_PORT,PWM2_PINSOURCE,PWM2_AF);
	GPIO_PinAFConfig(PWM3_OUT_PORT,PWM3_PINSOURCE,PWM3_AF);	
	GPIO_PinAFConfig(PWM4_OUT_PORT,PWM4_PINSOURCE,PWM4_AF);	
        
        //TIM1时基配置，上数计数
	TIM_TimeBaseStructInit (&TIM_TimeBaseInitStrcture);
	TIM_TimeBaseInitStrcture.TIM_Period=  Cycle-1;
	TIM_TimeBaseInitStrcture.TIM_Prescaler =1;//2分频，84MHz
	TIM_TimeBaseInitStrcture.TIM_CounterMode =TIM_CounterMode_Up ;
	TIM_TimeBaseInitStrcture.TIM_ClockDivision=0;
	TIM_TimeBaseInitStrcture.TIM_RepetitionCounter =0;
	TIM_TimeBaseInit(PWM_TIM,&TIM_TimeBaseInitStrcture);
        
        //输出比较（OC1-OC4）配置：PWM1模式，有效电平为高
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode=TIM_OCMode_PWM1 ;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState =TIM_OutputState_Enable;
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse =0;
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity =TIM_OCPolarity_High;
	TIM_OC1Init(PWM_TIM,&TIM_OCInitStructure ); 
	TIM_OC2Init(PWM_TIM,&TIM_OCInitStructure );
	TIM_OC3Init(PWM_TIM,&TIM_OCInitStructure );
	TIM_OC4Init(PWM_TIM,&TIM_OCInitStructure );


	TIM_CtrlPWMOutputs(PWM_TIM ,ENABLE);//PWM输出使能
	
	TIM_OC1PreloadConfig (PWM_TIM,TIM_OCPreload_Enable);
	TIM_OC2PreloadConfig (PWM_TIM,TIM_OCPreload_Enable);
	TIM_OC3PreloadConfig (PWM_TIM,TIM_OCPreload_Enable);
	TIM_OC4PreloadConfig (PWM_TIM,TIM_OCPreload_Enable);
	
	TIM_ARRPreloadConfig (PWM_TIM,ENABLE);
	TIM_Cmd(PWM_TIM,ENABLE);
}

调试时发现，两个电机有一个无法控制方向，占空比和速度的关系也和预期的不一致，反复检查代码，百思不得其解。

二、问题分析

设置pwm1占空比为11.9%，pwm2占空比为0%，pwm3占空比为23.8%，pwm4占空比为0%，用示波器观察pwm1和pwm3的波形，发现波形如图1。这与设置的“PWM1模式，高电平为有效电平”应当产生的波形极性刚好相反。而且pwm2的波形为3.3v，pwm4的波形为0v，显然pwm2的输出极性也错了。

与输出比较器输出的极性相关的寄存器时CCER，从Keil MDK中查看TIM1的CCER寄存器的状态，发现如图2所示。可以发现CC4P的值为0，CC1P到CC3P的值均为1，这表明输出比较器4是高电平为有效电平，输出比较器1到3是低电平是有效电平，这就和观察到的PWM波形输出一致了。但是程序中确实是把OC1到OC4的有效电平都设置成了高电平啊，为什么会这样呢？

在程序中设置断点（图3）观察结构体TIM_OCInitStructure的值，发现结构体各项的值如图4所示。

可以发现结构体中的TIM_OCNpolarity的值为2（即有效值为低电平），再看stm32f4xx_tim.c中TIM_OC1Init函数的代码：

图5 设置CC1P的代码

图6 设置CC1NP的代码

由于TIM_OCNPolarity为2，所以718行的语句运行后，CCER最后在第1bit位置被置1，即CC1P=1（事实上，把TIM_OCPolarity和TIM_OCNPolarity中的任何一个设置为了TIM_OCPolarity_Low，即值2，都会导致CC1P=1）。

显然，PWM波形错误是由于结构体TIM_OCInitStructure没有被正确的初始化引起的。那么为什么它没被正确的初始化呢？因为这里是在函数内部申明的结构体变量，因此是一个局部变量，局部变量分配内存时是不会被初始化为0的，因此其成员TIM_OCNPolarity这里就刚好不为0。

为了解决这个问题，在给TIM_OCInitStructure赋值之前，先调用初始化函数TIM_OCStructInit (&TIM_OCInitStructure)，使其各成员变量初始化为默认值，然后再根据需要修改结构体成员的值。修改代码后，结构体TIM_OCInitStructure的值如图7所示，寄存器CCER的值在配置好后如图8所示，产生的波形如图9所示。