5.5.1 ARM微控制器外设：PWM的原理在线视频

各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

欢迎大家继续回到

我们ARM微控制器与嵌入式系统的MOOC课堂

那么我们继续进行我们第五章关于外设的学习

在前面几个单元里呢

我们学习了各种各样的外设

特别在上一个单元

我们学习了最最简单的一类时钟

SysTick

它是由ARM公司定义的ARM内核里

通用的一类时钟模块

我们也做了一个小小的实验在中断模式下

用它来点我们的灯

建立了一些对于时钟的初步概念

那么在这个单元里呢

我们要学习一类比那个更强大

更完善的一类关于时钟的外设

但是在这个单元的学习里头

我们不再把它当做一个时钟来学习

而是借这个机会去学习一类新的功能

那么我们把它称为脉冲调制模块

脉冲调制模块在绝大多数的嵌入式系统

也就微控制器里头都是有的

我们通常会把它称为PWM

那么PWM是Pulse-Width Modulation的缩写

也就是顾名思义的脉宽调制

那么我们经常会使用的是一些数字型号

在逻辑0和逻辑1之间进行跳变

也就是我们大家都有这样一种概念

会形成一个个的方波

但是当我们对这些方波进行一些调制的时候

我们可以产生一些周期信号

就像这张图所示

他们根据两个这个唯一的时间的变化的

这个时间间隔会有不同的频率

那么他可以调整的这个参数呢

就既包括这个频率

也包括在一个时钟周期里为1和为0的

这个时间长短的差异

所以我们会有一个概念

经常在学数字电路会学到叫做占空比

也就在一个时钟周期里

有多长的百分比的时间是逻辑1

它跟这个总周期的比例就是我们的占空比

所以如另外一张图所示

我们可以看到从占空比为1%、5%、10%

乃至到90%的同样频率的信号

它在这个

画在一起时钟沿上是这样一种感觉

所以我们会建立一种模糊的概念

也就是说对于这样一种信号

它实际上是在幅度的维度上

锁定成了逻辑0和逻辑1

但是在他自身的频率上

这个频率是可以变的

而它的占空比

也就是为1和整个周期的这个比例

也是可以连续调整的

所以它可以成为一类最最简单的数模变化电路

我们换一个角度用一种更简单的语言来说

我们调整一个周期里为1的这个时间长短

占的比例的不同

使我们整个这个信号的平均的电压值

可以发生连续的调整和变化

所以这样一类的脉冲调制模块

既可以通过时间上的特性

就是周期频率以及占空比

来实现一些时序的控制

也可以通过平均幅度上的特性

来实现一些模拟上的控制

所以在我们的微控制器里头

就像我们刚才所说

绝大多数嵌入式系统微控制器

都有这样一个模块

我们可以把它用起来做很多很多不同的应用

那么这样一类外设

在我们所学习的KL25这样一个

ARMCortexM0的微控制器里头呢

它放在了一个统一的外设

就是刚才最最开始所讲的

首先它是一个Timer

为什么是Timer 待会会讲

然后又是一个PWM

所以合起来叫Timer and PWM Module

所以在我们这一类外设

在我们所用这个芯片里头简称为TPM模块

那么如果大家有兴趣学习呢

可以翻到我们芯片手册的第31章

也就第547页可以找到相关的信息

那么我们知道了什么是PWM

就是产生一个周期占空比可变的信号

我们就可以知道

它其实像曾老师刚才所说的

可以有很多很多的应用

比如我们看到的应用里头

我们可以通过一个滤波电路加上跟随的驱动

把它作为最最简单的一类数模变换电路

产生我们所想要的模拟电压值

那么我们在后面的实验里也会涉及到

我们可以通过一个简单的晶体管驱动电路

来驱动一个发音的这个扬声器

产生不同频率的声音得到电子音乐

那么我们也可以通过一个电阻

类似于数模变换电路的思想

通过一个晶体管的驱动门

来控制一个真正的灯

让这个灯的亮度可以连续的可调发生变化

那么还有一类大家做机器人啊

做智能车经常会用到的

我们对于直流伺服电机

我们可以用一对反向的时钟信号

来控制一个电机的转动和驱动

那么这一系列的功能

在我们学习了PWM模块以后

都可以学会进行使用

我们来看看它的原理

和我们待会要学习它怎么来进行编程

那么PWM模块就像我们所说

它是一个高级一点的

功能复杂一点的时钟来触发的

所以它的内部结构非常非常的好理解

其实就是Timer

我们都知道Timer

上一节课 上上个单元给大家学过

它是一个累加的计数器

Timer是对一定频率进行counter

进行计数的模块形成了一个定时

定时的本质就是对固定的时间间隔

进行数数对吧

那么我们要产生PWM信号的时候

就跟这个Regulated的Timer是非常类似的

我们在一个固定频率下进行累加的计数

我们通过一个Count的寄存器的结构

来存当前的计数值

在一个时钟的频率下

让它不断的累加或者累减

大多数是累加

那么我们应该至少要有个寄存器

来控制这个计数器计到多少值应该归零对吧

这我们在Timer里学过

那么这个寄存器存的这个参考的归零的值呢

构成了我们的这个信号的周期

那么作为PWM的时候呢

就是在这Timer基础上还要再多一个寄存器

当计数值计到这个寄存器

所存的设定值的时候呢

使我们的引脚上的输出信号发生一次翻转

于是当计时开始的时候

引脚上的信号由0变1

那么计到第一个计数值的时候

引脚上的信号由1变0

计到周期那个计数值的时候

一个周期完成

周而复始

计数器的值归0

引脚上的值再从此由逻辑0变成逻辑1

这样周而复始

我们就得到了固定频率

固定占空比的脉冲宽度的调制信号

这就是它的一个基本原理

那么如果我们站在这样一个原理

已经清楚的视角来看一看

我们要把这样一个PWM模块给用起来

或者说设计这样一个PWM模块

给我们的微控制器用

让我们能够通过编程来方便的使用

我们要怎么来设计这个寄存器呢

这就直接关联到我们待会

对这个模块进行编程开发的时候

寄存器的理解

那么大家想一想

那么在我们这样一种模块的

嵌入式行业的设计里呢

一般会涉及到这样几个寄存器

我们往往会采用一个时钟源

构成一个PWM模块

那么这个时钟源可以同时驱动

若干个引脚产生不同的脉冲调制信号

所以我们都会有一个通用的

每个PWM模块共有的 Counter

也就是TPMx_CNT计数器

来记存这个计数器的值数到多少了

那么作为周期的设置呢

我们肯定还有一个跟计时器一样的

Modulo Value这样一个寄存器

我们称为TPMx_MOD的寄存器

来存这个计数器值

数到多少应该归0来决定周期

然后我们还要有一个寄存器

来保存我们所需要的对应的这一个引脚

比如这一个TPM模块里头

某一个引脚的占空比

我们可能要有一个单独的寄存器来存

数到多少发生引脚信号上

由1到0的相位翻转

那么这里头存的这个值

决定了我们的占空比 对不对

那么我们打一个比方

假设说我们计数器的值一秒钟累加1

那么我们计数的频率就是1赫兹

如果我们的Modulator寄存器

存的参考值是100

也就数到100我们这个信号就完成一个周期

那我们也就是说周期是100秒

频率是0.01赫兹 对不对

那么如果我们参考的

这个Duty Cycle这个寄存器的值设成10

也就数到10

发生相位的跳变

于是这个计数器是数到10 就跳变

数到100再归0

于是我们得到一个频率是0.01赫兹

周期是100秒

占空比是10%的一个脉冲调制信号

依此类推我们就可以完成对它的配置和控制

那么当然我们熟悉了各种编程以后

我们对于整个PWM模块

对于我们所使用的每个通道和引脚

肯定都有一些Status and Control register

来对他进行一些功能上的配置和状态的读取

那么有了这样一种基本概念以后

我们再深入的学习PWM编程之前

还要熟悉两个概念呢

一个是PWM的对齐方式的概念

所谓对齐方式是指

我们在一个PWM模块输出的多个PWM信号当中

这些信号以何种的方式来发生变化

以什么时间点来进行对齐

那么很自然而然的产生两种对齐方式

一种我们称为边沿对齐

也就是说在同一个时钟驱动下的

不同通道的PWM引脚

它们可以产生这个PWM信号都是同周期

但是占空比可以不一样

于是如这张图所示

他们都在左侧的第一个上升沿处对齐

然后在不同的时间点产生下降沿

得到各自不同的占空比

但在同样的时钟周期结束后

各自又都产生上升沿

这是一种对齐方式

那么在实际的工程应用里

比大家这种直观能想到的边沿对齐方式之外

其实还有一类是中心对齐方式

也就是说会产生一系列占空比不一样

周期一样的信号

他们总在为逻辑1的

那个部分的中心位置进行对齐

就如后面这张图所示

这样一种我们称为中心对齐方式

那么这样两种方式

实际上隐含的是比刚才讲的

最基本原理要略微复杂一点

我们对于计数器

对于Timer控制PWM

实际上可以有两种不同的

计数和工作模式

当我们计数值是单调的累加或者累减

遇到不同的值产生沿的跳变

和周期的切换的时候

就自然而然会产生不同通道间的

边沿对齐的输出信号

而如果这个模块被配置为

中心对齐方式的时候

实际上一旦我们设定了一个周期寄存器的值

它是完成一次由累加到最大值

再累减到0的连续计数

于是我们所得到的频率

所得到的频率值

是我们周期时设计值还要再除以2

那么在这样一种计数累加项

大家脑袋里想想这个过程

我们自然而然会得到一个背靠背拼起来的

看上去是以中心对齐的脉冲调制信号

那么有同学要问边沿对齐理解很容易啊

为什么要有中心对齐信号呢

在这门课的范畴里我不展开讲

就只给大家一个例子

就是前面提到我们对于直流伺服电机的驱动

那么在驱动的时候

我们需要一对反向的脉冲调制的脉冲信号

如果我们这两个信号的占空比都是50%

而且都是边沿对齐

就会直接导致我们在两路反向信号的

为1为0的跳转的这个上升沿和下降沿

是在时间上几乎对齐的

那么在电路上它会出现一个非常短暂的瞬态

是处于近似短路的状态

所以实际上在电机控制里

就会需要使用这样一种中心对齐的

脉冲调制方式

使它在中心对齐而占空比略小于50%

那么在电机的驱动当中会产生一个一个的

小的时间上的间隔

避免出现瞬态的短路导通

那么这是一个非常典型的例子

为什么我们的脉冲信号会产生中心对齐

有兴趣同学

因为大家做智能车和做机器人

还可以更深入的去进行学习和讨论

那么如果要对于这样一个模块

在我们KL25这样一个芯片里

进行详细的编程

在下一个单元我教大家怎么一点点去编程

我在这里给大家拉一下

它涉及到的基本的几个寄存器

那么大家如果看一看

屏幕上左边这个图呢

会发现它是一个PWM模块

也就是我们TPM模块的详细内部结构图

所以如果对照这张图可以非常容易看出

有若干个时钟源选通开关

包括我们说到的Timer

以及这个计数的比较的功能

那么这个图不展开详细讲

所涉及到的寄存器

放在我们所使用的KL25这样一个芯片里头

我来给大家讲一讲

他的模块和引脚的定义

在我们的芯片里一共有三个PWM模块

它被命名成了TPM

所以分别是TPM0到TPM2一共三个模块

我们简称为TPMx

那么在这个芯片设计里头

每一个模块最多可以驱动6个通道

也就是6个引脚的输出信号

那么这些引脚就称为Channel

称为通道

我们把它命名为TPMx

比如TPM0、TPM1

对应的C0、C1、C2、C3一直到C5

所以我们以TPMxC0

TPMxC3、C4、C5这样的名字来定义

每一个唯一的通道

然后每个模块它的Counter

也就是计数器当前值的寄存器和Modulator

也就是决定周期的寄存器

在每个模块里都只有一个是通用的

所以每一个模块上的6个引脚

它一定使用同样的时钟源和同样的周期

而每个引脚每个通道

可以有单独的占空比设置的

这个CNV这个寄存器

来设置它的占空比略有区别

那么大家记住这个概念

每一个模块的周期和频率是固定的

但是每个模块上所有引脚之间

每个引脚占空比是可以独立调整的

然后每个模块有一个总的状态和控制寄存器

每个引脚也有一个

各自独立的状态和控制寄存器

我们可以对它进行一些更加灵活的配置

那么这些寄存器

放在我们寄存器映射地址表里头

大家也非常熟悉了

就是会映射到400这个地址段

一个外设模块占有一段地址空间

所以PWM模块占有的就是

40038000开始的地址

那么每一个TPM模块大约有17个寄存器

占用这样一个地址段

之后再是TPM1、TPM2依次重复都是一样的

也就是我们刚才所介绍的寄存器

都对应到了这些物理地址

那么在下一个单元

我就会教大家对于这样一些寄存器

如何进行编程 使用

大家不要怕

使用其中仅仅的两到三个寄存器

就可以把这样一个模块给用起来

那么对于这些地址映射

还有这些寄存器的值

大家可以在芯片手册的第550页

详细的可以找到 自己再进一步的阅读

但是编程还是我说的那句话 不用怕

我们每次给大家讲内容

只用两到三个寄存器就可以把它玩起来

所以在下个单元

我们看看如何用三个步骤

把PWM模块给编程 用起来