Таймеры - ШИМ

Работа с широтно-импульсной модуляцией

Хоть нам и удалось в прошлом разделе сделать "мигание по синусоиде", оно было прерывистым и не очень красивым. Хотелось бы добиться плавного изменения яркости, без заметного для глаза мерцания. В этом нам поможет ШИМ - широтно-импульсная модуляция (PWM - pulse-width modulation).

Что такое ШИМ

В прошлом упражнении мы уже видели, что у таймера есть период - значения, достигая которого он сбрасывается. Таким образом, можно говорить о частоте таймера, с этой частотой у нас вызывались прерывания и эта же частота будет использоваться для ШИМ.

ШИМ нужна для генерации сигналов, переключающихся между двумя значениями (условно, 0 и 1) с постоянной частотой:

Примеры сигналов

Видно, что частота ("время" от начала одного сигнала до следующего) постоянно - эта та же частота, что была и у прерывания и задается с помощью Counter Period. Duty cycly, или коэффициент заполнения, отмеченный на графике, управляется с помощью второго счетчика - pulse, по достижении которого сигнал переходит в состояние 0.

Представим, что counter period у нас 20. Тогда для получения таких сигналов, как на рисунке, нам нужно выставить pulse:

1. 10

2. 15

3. 5

Если частота ШИМ достаточно велика (тысячи КГц), то держа таким образом светодиод во включенном состоянии 50/75/25 процентов времени, мы получим стабильную яркость в 50/75/25 или любой другой процент от максимальной. Переключения с такой частотой будут не различимы для глаза.

Аналогичным образом можно управлять, например, скоростью DC-мотора

Управление яркостью светодиода с помощью ШИМ

Настройка микроконтроллера

Выберем ножку диода PA5, и назначим ей режим TIM2_CH1 - это означает, что для нее мы будем использовать первый канал генерации PWM из второго таймера (дальше станет понятнее, что имеется ввиду).

Теперь необходимо настроить TIM2:

С Clock Source, Prescaler и Counter Period мы уже разбирались. Тут важны следующие новые настройки:

• Channel1 - PWM Generation CH1 - указывает, что на первом канале таймера (который мы как раз привязали к светодиоду) нужно генерировать ШИМ

• PWM Generation Channel 1 - Pulse - 10 - значение, контролирующее коэффициент заполнения сигнала. При pulse == 10 и period == 500, заполнение равно 2%

Очевидно, что чтобы менять яркость светодиода, необходимо просто менять значение pulse по синусоиде - при prescaler 16, частота таймера получилась равной 10 МГц, и с периодом 500 - частота ШИМ 20 КГц. С такой частотой, при управлении яркостью через pulse никакого мерцания заметно не будет, и можно рассматривать коэффициент заполнения просто как процент от максимальной яркости.

В таком случае, все что нам осталось сделать, это запустить ШИМ и в цикле устанавливать pulse как синус от какого-то X. Тут удобно привести большой кусок кода из main, в котором содержится вся эта логика:

/* USER CODE BEGIN 2 */
double x = 0;
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
/* USER CODE END 2 */

/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    HAL_Delay(0.05);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, 125*(sin(x*3.14)+1));
    if (x < 2) x += 0.001;
    else x = 0;
/* USER CODE END WHILE */

Залив этот код на контроллер, мы увидим, как светодиод плавно меняет яркость, без заметного мерцания.