改变pwm的频率和占空比的两种方式

前言

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改变pwm的频率和占空比的两种方式

STM32定时器配置：直接操作寄存器 vs HAL库函数详解

引言

在STM32开发中，定时器配置是嵌入式系统设计的核心技能之一。开发人员常面临一个关键选择：直接操作寄存器还是使用HAL库函数？本文将通过对比分析TIMx->ARR/CCRx直接赋值与__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD/__HAL_TIM_SET_COMPARE两种方式，揭示它们的底层差异与应用场景。

一、STM32定时器基础原理

1.1 关键寄存器作用

• ARR（Auto-Reload Register）：确定定时器的计数周期，当计数器达到ARR值时触发更新事件
• CCR（Capture/Compare Register）：在PWM模式下决定输出脉冲的占空比
• PSC（Prescaler）：对时钟源分频，扩展定时范围

1.2 影子寄存器机制

STM32采用双寄存器结构提升稳定性：

• 预装载寄存器：开发者直接操作的寄存器
• 影子寄存器：实际控制硬件的寄存器
• 更新事件(UEV)：将预装载值同步到影子寄存器的触发条件

二、直接操作寄存器方法

2.1 典型代码示例

TIM15->ARR = 10000000 / pwm_f;  // 直接设置ARR
TIM15->CCR1 = pwm_d * TIM15->ARR / 100; // 直接设置CCR1

注：如若使用此方法需在“tim.h”找到对应的结构体变量并进行声明

“extern TIM_HandleTypeDef htim15;”

2.2 底层工作机制

• 即时生效：写入后立即更新影子寄存器
• 无缓冲机制：操作直接作用于硬件寄存器
• 状态依赖：需手动处理寄存器更新时序

2.3 优势与风险

优势	风险
⚡ 执行效率高（无函数调用开销）	⚠️ 易引发竞争条件（如ARR/CCR未同步）
代码精简（适合裸机开发）	⚠️ 更新冲突导致PWM波形畸变
时序控制精确	⚠️ 可移植性差（芯片型号变更需重写）

三、HAL库函数方法

3.1 函数原型解析

// 设置自动重装载值（缓冲模式）
__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim3, 500);

// 设置比较寄存器值（立即或缓冲）
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, 250);

3.2 关键机制

1. 预装载使能(ARPE)

   • 当TIMx_CR1.ARPE=1时，ARR修改延迟生效
   • 新ARR值在下次更新事件(UEV) 后同步

2. 安全写入保证

   // HAL内部实现简化
   #define __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(__HANDLE__, __AUTORELOAD__) \
   do { \
     __HANDLE__->Instance->ARR = (__AUTORELOAD__); \ 
   } while(0)
   

   通过硬件确保原子操作，避免中间状态

3.3 配置示例

// 启用ARR预装载（缓冲模式）
TIM_ARRPreloadConfig(TIM15, ENABLE); 

// 设置PWM频率（缓冲写入）
__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim15, 10000000 / pwm_f);

// 设置占空比（即时更新）
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim15, TIM_CHANNEL_1, 
                     pwm_d * __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim15) / 100);

注意点：CCR寄存器通常无预装载机制，修改立即生效

四、两种方法深度对比

4.1 核心差异分析

特性	直接操作寄存器	HAL库函数
ARR更新方式	即时生效	支持缓冲模式
线程安全性	需开发者保证	原子操作保障
可移植性	芯片依赖强	跨系列兼容
实时性	极高	中等（有调用开销）
适用场景	时序敏感型操作	复杂项目维护

4.2 时序行为对比

直接操作时序：

写入ARR

立即更新影子寄存器

写入CCR

即时改变输出

HAL函数时序（ARPE=1时）：

__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD

值存入预装载寄存器

更新事件UEV

预装载值同步到影子寄存器

计数器达到ARR

新周期生效

五、实战选型建议

5.1 推荐直接操作寄存器的场景

1. 高频PWM动态调整
   电机控制等需要微秒级响应的场景

2. 资源受限系统
   RAM不足（HAL库增加~1KB内存占用）

3. 精确波形生成
   如红外编码等严格时序要求

5.2 推荐HAL库的场景

1. 多定时器协同工作
   利用HAL_TIM_Base_Start_IT()简化同步

2. 动态频率切换
   避免PWM占空比突变：

   // 安全切换频率步骤
   __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim, new_arr); // 缓冲ARR
   __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim, ch, new_ccr); // 更新CCR
   while(!__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim, TIM_FLAG_UPDATE)); // 等待UEV
   __HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim, TIM_FLAG_UPDATE);
   

六、最佳实践总结

1. 关键参数计算
   使用标准公式确保精度：

   // PWM周期 = (ARR+1) * (PSC+1) / Tclk
   uint32_t psc = SystemCoreClock / 1000000 - 1; // 1MHz计数
   uint32_t arr = 1000000 / target_freq - 1; 
   

2. 混合编程策略

   // 高频部分直接操作
   TIM15->CCR1 = duty; 
   
   // 低频参数用HAL修改
   __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim15, new_period);
   

3. 错误处理
   增加超时保护：

   #define TIM_UPDATE_TIMEOUT 1000 // 1ms超时
   uint32_t tick = HAL_GetTick();
   while(!__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim, TIM_FLAG_UPDATE)) {
     if(HAL_GetTick() - tick > TIM_UPDATE_TIMEOUT) {
       // 错误处理
       break;
     }
   }
   

小贴士：在CubeMX中启用 “Auto-Reload Preload” 可激活ARR缓冲机制，大幅提升系统稳定性。

结语

直接寄存器操作与HAL库的本质区别在于时间与空间的权衡：前者以开发效率换取执行效率，后者以少量性能开销降低系统风险。在电机控制等实时场景，直接操作仍具优势；而对于物联网设备等复杂系统，HAL库的跨平台能力和安全特性更具价值。掌握二者原理，方能在不同场景中游刃有余。

希望此文能助您在定时器编程中做出更优选择，欢迎在评论区分享您的应用案例！

总结

此文仅代表个人愚见。