開發(fā)環(huán)境：

MDK：Keil 5.30

開發(fā)板：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

1 PWM輸出的工作原理

脈沖寬度調(diào)制(PWM) ，是英文“Pulse Width Modulation” 的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。簡單一點(diǎn)，就是對脈沖寬度的控制。

GD32 的定時(shí)器除了 TIMER5 和 6（基本定時(shí)器）。其他的定時(shí)器都可以用來產(chǎn)生 PWM 輸出。

每個(gè)定時(shí)器有四個(gè)通道，每一個(gè)通道都有一個(gè)捕獲比較寄存器,，將寄存器值和計(jì)數(shù)器值比較，通過比較結(jié)果輸出高低電平，便可以實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制模式（PWM信號）。

在上一節(jié)，講解了定時(shí)器的相關(guān)寄存器即基本原理，本節(jié)將不再贅述。下面談?wù)勅绾问褂枚〞r(shí)器的寄存器進(jìn)行PWM輸出的。若配置脈沖計(jì)數(shù)器TIMERx_CNT為向上計(jì)數(shù)，而重載寄存器TIMERx_CAR配置為N，即TIMERx_CNT的當(dāng)前計(jì)數(shù)值數(shù)值X在CK_TIMER時(shí)鐘源的驅(qū)動(dòng)下不斷累加，當(dāng)TIMERx_CNT的數(shù)值X大于N時(shí)，會(huì)重置TIMERx_CNT數(shù)值為0重新計(jì)數(shù)。而在TIMERx_CNT計(jì)數(shù)的同時(shí)，TIMERx_CNT的計(jì)數(shù)值X會(huì)與比較寄存器TIMERx_CHxCV預(yù)先存儲了的數(shù)值A(chǔ)進(jìn)行比較，當(dāng)脈沖計(jì)數(shù)器TIMERx_CNT的數(shù)值X小于比較寄存器TIMERx_CHxCV的值A(chǔ)時(shí)，輸出高電平（或低電平），相反地，當(dāng)脈沖計(jì)數(shù)器的數(shù)值X大于或等于比較寄存器的值A(chǔ)時(shí)，輸出低電平（或高電平）。如此循環(huán)，得到的輸出脈沖周期就為重載寄存器TIMERx_CAR存儲的數(shù)值(N+1)乘以觸發(fā)脈沖的時(shí)鐘周期，其脈沖寬度則為比較寄存器TIMERx_CHxCV的值A(chǔ)乘以觸發(fā)脈沖的時(shí)鐘周期，即輸出PWM的占空比為A/(N+1)。

估計(jì)很多初學(xué)者看了上面的一段話都很蒙圈，沒關(guān)系，下面以向上計(jì)數(shù)模式為例進(jìn)行講解。

在PWM輸出模式下，除了CNT（計(jì)數(shù)器當(dāng)前值）、CAR（自動(dòng)重裝載值）之外，還多了一個(gè)值CHxCV（捕獲/比較寄存器值）。當(dāng)CNT小于CHxCV時(shí)，CHxCV通道輸出低電平；當(dāng)CNT等于或大于CHxCV時(shí)，CHxCV通道輸出高電平。因此得到PWM的一個(gè)周期如下：

1.定時(shí)器從0開始向上計(jì)數(shù)；

2.當(dāng)0-t1段,定時(shí)器計(jì)數(shù)器CNT值小于CHxCV值，輸出低電平；

3.t1-t2段,定時(shí)器計(jì)數(shù)器CNT值大于CHxCV值，輸出高電平；

4.當(dāng)CNT值達(dá)到CAR時(shí),定時(shí)器溢出，重新向上計(jì)數(shù)...循環(huán)此過程。

至此一個(gè)PWM周期完成。針對PWM重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)寄存器， CAR寄存器確定PWM頻率，CHxCV寄存器確定占空比 。

上文提到了PWM的輸出模式，下面講解PWM的工作模式：

• PWM模式1(向上計(jì)數(shù)) :計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)加到自動(dòng)重裝載值(CAR)，然后重新從0開始計(jì)數(shù)，并且產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器溢出事。
• PWM模式2(向下計(jì)數(shù)) :計(jì)數(shù)器從自動(dòng)重裝載值(CAR)減到0，然后重新從重裝載值(CAR)開始遞減，并且產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器溢出事件。

這里我們僅利用 TIMER2產(chǎn)生多路 PWM 輸出。如果要產(chǎn)生多路輸出，大家可以根據(jù)我們的代碼稍作修改即可。具體不同定時(shí)器對應(yīng)引腳在對應(yīng)芯片數(shù)據(jù)手冊的引腳說明(pin description) 中查看。

[ps] 本文以F2系列為例進(jìn)行講解，GD不同系列其定時(shí)器個(gè)數(shù)不同

2 PWM輸出的寄存器描述

同樣，我們首先通過對 PWM 相關(guān)的寄存器進(jìn)行講解，大家了解了定時(shí)器 TIMER2的 PWM原理之后，我們再講解怎么使用庫函數(shù)產(chǎn)生 PWM 輸出。

要使 GD32 的通用定時(shí)器 TIMERx 產(chǎn)生 PWM 輸出，除了上一章介紹的寄存器外，我們還會(huì)用到 3 個(gè)寄存器，來控制 PWM 的。這三個(gè)寄存器分別是：通道控制寄存器(TIMERx_CHCTL0/1)、通道控制寄存器(TIMERx_CHCTL2)、捕獲/比較寄存器(TIMERx_CHxCV)。接下來我們簡單介紹一下這三個(gè)寄存器。

首先是通道控制寄存器(TIMERx_CHCTL0/1)，該寄存器總共有2個(gè)，TIMERx_CHCTL0和TIMERx_CHCTL1。TIMERx_CHCTL0控制 CH1 和 2，而TIMERx_CHCTL1 控制 CH3 和 4。該寄存器的各位描述如下圖。

該寄存器的有些位在不同模式下，功能不一樣，所以在上圖中，我們把寄存器分了2層，上面一層對應(yīng)輸出而下面的則對應(yīng)輸入。關(guān)于該寄存器的詳細(xì)說明，請參考《GD32F20x User Manual》。這里我們需要說明的是模式設(shè)置位CH0COMCTL，此部分由 3 位組成。總共可以配置成 7 種模式，我們使用的是 PWM 模式，所以這 3 位必須設(shè)置為 110/111。這兩種PWM 模式的區(qū)別就是輸出電平的極性相反。

接下來，我們介紹通道控制寄存器(TIMERx_CHCTL2)，該寄存器控制著各個(gè)輸入輸出通道的開關(guān)。該寄存器的各位描述如下圖。

該寄存器比較簡單， 我們這里只用到了CHxEN位，該位是輸入/捕獲 2 輸出使能位，要想PWM 從 IO 口輸出，這個(gè)位必須設(shè)置為 1，所以我們需要設(shè)置該位為 1。

最后，我們介紹一下捕獲/比較寄存器(TIMERx_CHxCV)，該寄存器總共有 4 個(gè)，對應(yīng) 4 個(gè)輸通道 CH0~3。因?yàn)檫@ 4 個(gè)寄存器都差不多，我們僅以TIMERx_CH0CV為例介紹，該寄存器的各位描述如下圖。

在輸出模式下，該寄存器的值與 CNT 的值比較，根據(jù)比較結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)動(dòng)作。利用這點(diǎn)，我們通過修改這個(gè)寄存器的值，就可以控制 PWM 的輸出脈寬了。

假如我們要利用 TIMER2的 CH1 輸出 PWM 來控制 DS0 的亮度，但是 TIMER2_CH1默認(rèn)是接在 PA7上面的，這就可以通過重映射功能，把 TIMER2_CH1映射到 PB5 上。

GD32 的重映射控制是由復(fù)用重映射和調(diào)試 IO 配置寄存器控制的，該寄存器的各位描述如上圖。我們這里用到的是 TIMER2的重映射，從上圖可以看出，TIMER2_REMAP 是由[11:10]這 2 個(gè)位控制的。TIMER2_REMAP[1:0]重映射控制表如下表。

默認(rèn)條件下，TIMER2_REMAP[1:0]為 00，是沒有重映射的，所以 TIMER2_CH0~TIMER2_CH3 分別是接在 PA6、 PA7、 PB0 和 PB1 上的，而我們想讓 TIMER2_CH1 映射到 PB5 上， 則需要設(shè)置TIMER2_REMAP[1:0]=10，即部分重映射，這里需要注意，此時(shí)TIMER2_CH0 也被映射到 PB4 上了。

TIMER定時(shí)器的四路通道CHx_O輸出PWM。

3 PWM輸出實(shí)現(xiàn)

3.1 PWM代碼分析

本章要實(shí)現(xiàn)通過TIMER2實(shí)現(xiàn)四路方波的輸出，以TIMER2_CH0 輸出 PWM 為例進(jìn)行講解。下面我們介紹通過庫函數(shù)來配置該功能的步驟。

首先要提到的是，PWM 相關(guān)的函數(shù)設(shè)置在庫函數(shù)文件gd32f20x_timer.h和gd32f20x_timer.c文件中。

1） 開啟 TIMER2 時(shí)鐘以及GPIO的時(shí)鐘，配置 PA6為復(fù)用輸出。

要使用 TIMER2，我們必須先開啟 TIMER2的時(shí)鐘，這點(diǎn)相信大家看了這么多代碼，應(yīng)該明白了。庫函數(shù)使能 TIMER2及PA6時(shí)鐘的方法是：

/* enable the GPIOA clock */
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
//Enable TIMER2 clock
rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);

庫函數(shù)設(shè)置 AFIO 時(shí)鐘的方法是：

/* 開啟復(fù)用功能時(shí)鐘 */
rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);

2） 初始化 TIMER2,設(shè)置 TIMER2的 CAR 和 PSC。

在開啟了 TIMER2 的時(shí)鐘之后，我們要設(shè)置 CAR 和 PSC 兩個(gè)寄存器的值來控制輸出 PWM 的周期。這在庫函數(shù)是通過timer_init()函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，在上一節(jié)定時(shí)器中斷章節(jié)我們已經(jīng)有講解，這里就不詳細(xì)講解，調(diào)用的格式為：

/* TIMER2 configuration */
timer_init_struct.prescaler         = 0;
timer_init_struct.alignedmode       = TIMER_COUNTER_EDGE;
timer_init_struct.counterdirection  = TIMER_COUNTER_UP;
timer_init_struct.period            = 999;
timer_init_struct.clockdivision     = TIMER_CKDIV_DIV1;
timer_init_struct.repetitioncounter = 0;
timer_init(TIMER2, &timer_init_struct);

3） 設(shè)置 TIMER2_CH0的 PWM 模式，使能 TIMER2的 CH0輸出。

接下來，我們要設(shè)置 TIMER2_CH0為 PWM 模式（默認(rèn)是凍結(jié)的），在庫函數(shù)中，PWM通道設(shè)置是通過函數(shù) timer_channel_output_config()來設(shè)置的，我們直接來看看結(jié)構(gòu)體 timer_oc_parameter_struct的定義：

/* channel output parameter structure definitions */
typedef struct {
    uint16_t outputstate;                       /*!< channel output state */
    uint16_t outputnstate;                      /*!< channel complementary output state */
    uint16_t ocpolarity;                        /*!< channel output polarity */
    uint16_t ocnpolarity;                       /*!< channel complementary output polarity */
    uint16_t ocidlestate;                       /*!< idle state of channel output */
    uint16_t ocnidlestate;                      /*!< idle state of channel complementary output */
} timer_oc_parameter_struct;

該結(jié)構(gòu)體主要配置通道的狀態(tài)，極性等，還需要設(shè)置占空比等配置，不同的通道需要分別設(shè)置。

/* PWM Mode configuration: Channel0 */
timer_channel_output_config(TIMER2, TIMER_CH_0, &timer_oc_init_struct);

/* 通道2占空比設(shè)置 */
timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_0, CH0CV_Val);
/* PWM模式0 */
timer_channel_output_mode_config(TIMER2,TIMER_CH_0,TIMER_OC_MODE_PWM0);
/* 不使用輸出比較影子寄存器 */
timer_channel_output_shadow_config(TIMER2,TIMER_CH_0,TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);

4） 使能 TIM3。

我們需要使能 TIMER2。使能 TIMER2的方法前面已經(jīng)講解過：

timer_enable(TIMER2);

最后看下主函數(shù)代碼：

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)
{
    //systick init
    sysTick_init();

    /* configure the TIMER peripheral */
    pwm_init ();

    while(1) 
    {
     
    }
}

是不是很簡單，這里進(jìn)行了PWM初始化，最核心的就是timer2_init()函數(shù)，其代碼如下：

/*
    brief      configure the TIMER peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
  */
void pwm_init(void)
{
    /* TIMER2 configuration: generate PWM signals with different duty cycles*/
    /* 定義一個(gè)定時(shí)器初始化結(jié)構(gòu)體 */
    timer_parameter_struct timer_init_struct;
    /* 定義一個(gè)定時(shí)器輸出比較參數(shù)結(jié)構(gòu)體*/
    timer_oc_parameter_struct timer_oc_init_struct;

    /* PWM信號電平跳變值 */
    uint16_t CH0CV_Val = 500;
    uint16_t CH1CV_Val = 375;
    uint16_t CH2CV_Val = 250;
    uint16_t CH3CV_Val = 125;

    /* ----------------------------------------------------------------------- 
    TIMER2 Channel0 duty cycle = (TIMER2_CH0CV/ TIMER2_CAR+1)* 100% = 50%
    TIMER2 Channel1 duty cycle = (TIMER2_CH1CV/ TIMER2_CAR+1)* 100% = 37.5%
    TIMER2 Channel2 duty cycle = (TIMER2_CH2CV/ TIMER2_CAR+1)* 100% = 25%
    TIMER2 Channel3 duty cycle = (TIMER2_CH3CV/ TIMER2_CAR+1)* 100% = 12.5%
    ----------------------------------------------------------------------- */
    // gpio init
    timer_gpio_init();

    //Enable TIMER2 clock
    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);
    /* 開啟復(fù)用功能時(shí)鐘 */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);

    timer_deinit(TIMER2);

    /* TIMER2 configuration */
    timer_init_struct.prescaler         = 0;
    timer_init_struct.alignedmode       = TIMER_COUNTER_EDGE;
    timer_init_struct.counterdirection  = TIMER_COUNTER_UP;
    timer_init_struct.period            = 999;
    timer_init_struct.clockdivision     = TIMER_CKDIV_DIV1;
    timer_init_struct.repetitioncounter = 0;
    timer_init(TIMER2, &timer_init_struct);

    /* PWM初始化 */
    timer_oc_init_struct.outputstate  = TIMER_CCX_ENABLE;		/* 通道使能 */
    timer_oc_init_struct.outputnstate = TIMER_CCXN_DISABLE;		/* 通道互補(bǔ)輸出使能（定時(shí)器2無效） */
    timer_oc_init_struct.ocpolarity   = TIMER_OC_POLARITY_HIGH;	/* 通道極性 */
    timer_oc_init_struct.ocnpolarity  = TIMER_OCN_POLARITY_HIGH;/* 互補(bǔ)通道極性（定時(shí)器2無效）*/
    timer_oc_init_struct.ocidlestate  = TIMER_OC_IDLE_STATE_LOW;/* 通道空閑狀態(tài)輸出（定時(shí)器2無效）*/
    timer_oc_init_struct.ocnidlestate = TIMER_OCN_IDLE_STATE_LOW;/*互補(bǔ)通道空閑狀態(tài)輸出（定時(shí)器2無效） */

    /* PWM Mode configuration: Channel0 */
    timer_channel_output_config(TIMER2, TIMER_CH_0, &timer_oc_init_struct);

    /* 通道2占空比設(shè)置 */
    timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_0, CH0CV_Val);
    /* PWM模式0 */
    timer_channel_output_mode_config(TIMER2,TIMER_CH_0,TIMER_OC_MODE_PWM0);
    /* 不使用輸出比較影子寄存器 */
    timer_channel_output_shadow_config(TIMER2,TIMER_CH_0,TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);	

    /* PWM Mode configuration: Channel1 */
    timer_channel_output_config(TIMER2, TIMER_CH_1, &timer_oc_init_struct);

    /* 通道2占空比設(shè)置 */
    timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_1, CH1CV_Val);
    /* PWM模式0 */
    timer_channel_output_mode_config(TIMER2,TIMER_CH_1,TIMER_OC_MODE_PWM0);
    /* 不使用輸出比較影子寄存器 */
    timer_channel_output_shadow_config(TIMER2,TIMER_CH_1,TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);	

    /* PWM Mode configuration: Channel2 */
    timer_channel_output_config(TIMER2, TIMER_CH_2, &timer_oc_init_struct);

    /* 通道2占空比設(shè)置 */
    timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_2, CH2CV_Val);
    /* PWM模式0 */
    timer_channel_output_mode_config(TIMER2,TIMER_CH_2,TIMER_OC_MODE_PWM0);
    /* 不使用輸出比較影子寄存器 */
    timer_channel_output_shadow_config(TIMER2,TIMER_CH_2,TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);	

    /* PWM Mode configuration: Channel3 */
    timer_channel_output_config(TIMER2, TIMER_CH_3, &timer_oc_init_struct);

    /* 通道2占空比設(shè)置 */
    timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_3, CH3CV_Val);
    /* PWM模式0 */
    timer_channel_output_mode_config(TIMER2,TIMER_CH_3,TIMER_OC_MODE_PWM0);
    /* 不使用輸出比較影子寄存器 */
    timer_channel_output_shadow_config(TIMER2,TIMER_CH_3,TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);	

    /* 自動(dòng)重裝載影子比較器使能 */
    timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER2);	

    /* TIMER2 enable */
    timer_enable(TIMER2);
}

3.2 PWM周期、占空比分析

根據(jù)前面的參數(shù)配置，我們可以算出PWM的輸出周期：

PWM=1/(Tclk/(psc+1))*(arr+1)

這里我們 arr=999 psc=0 Tclk=120Mhz ，

PWM=1/(120Mhz/(1))*(999+1)=1/120ms

因此PWM的輸出頻率120KHz，周期是8.3us。

PWM的占空比為：

Dutycycle=(CHxCV/CAR+1)* 100%

PWM自動(dòng)重裝值為999，四個(gè)通道的跳變值分別為500，375，250，125。因此，TIMER2的四個(gè)通道的占空比分別為50%，37.5%，25%，12.5%。

4 PWM輸出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在前面我們輸出了TIMER2的通道0(PA6)、1(PA7)、2(PB0)、3(PB1)不同占空比的 PWM 信號。接下來就看看PWM的輸出，PWM 信號可以通過示波器看到，下面筆者就是用邏輯分析儀查看波形。

首先筆者使用的邏輯分析儀是Kingst LA5016，當(dāng)然啦，其他的也可以，關(guān)于邏輯分析儀的相關(guān)使用筆者這里就不介紹了，可以查看官方資料。

首先將通道 0(PA6)、1(PA7)、2(PB0)、3(PB1)分別接到邏輯分析儀的CH0 – CH3，然后下載程序到板子中，打開Kingst VIS，然后進(jìn)行采樣。

我們就可以看到不同通道的實(shí)際周期，占空比等信息。

從上圖可以看到，實(shí)際測量的頻率和占空比和理論是相符的。