【STM32】HAL库教程-PWM输出

发表于 2025-11-19 更新于 2026-01-13 分类于 STM32嵌入式本文字数： 5.4k 阅读时长 ≈ 5 分钟

本文章介绍了PWM和STM32定时器的基础概念，并讲解了经典的呼吸灯实验的操作流程。

使用工具和依赖

芯片：STM32F411CEU6（芯片手册）（STM32中文参考手册）
代码初始化软件：STM32CUBEMX
IDE: MDK-ARM Keil5
依赖：stm32f4xx hal库

什么是PWM

脉冲宽度调制（PWM = Pulse Width Modulation）简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出，通过控制有效电平在一个周期内的占比，来近似模拟信号进行控制的一种技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

PWM模拟连续信号：

PWM基本概念：

PWM周期：PWM波形从低电平到高电平再到低电平所持续的时间
PWM频率：单位时间内一个PWM周期的重复次数，\(f=1/T\)
PWM占空比：一个PWM周期内高电平时间和总时间的比值，\(\sigma=T_{high}/T\)

定时器功能介绍

STM32F411xC/E系列共有8个定时器：
高级定时器（TIM1）；通用定时器（TIM2、TIM3、TIM4、TIM5）；基本定时器（TIM9、TIM10、TIM11）。

通用定时器TIMx的功能包括：

16位（TIM3和TIM4）或 32位（TIM2和TIM5） 向上、向下、向上/向下自动装载计数器
16位可编程 预分频器，计数器时钟频率的分频系数为1~65536之间的任意数值
4个独立通道
- 输入捕获（Input capture）
- 输出比较（Output compare）
- PWM生成（边缘或中间对齐模式）
- 单脉冲模式输出
使用外部信号控制定时器和定时器互连的同步电路
如下时间发生时产生中断/DMA：
- 更新：计数器向上溢出/向下溢出，计数器初始化（通过软件或者内部/外部触发）
- 触发事件（计数器启动、停止、初始化或者由内部/外部触发计数）
- 输入捕获
- 输出比较
支持针对定位的增量（正交）编码器和霍尔传感器电路
触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理

通用定时器框图如下：

输出比较/PWM工作原理

和输出比较/PWM相关的时基单元：

预分频器寄存器（TIMx_PSC）
预分频器PSC，有一个输入时钟CK_PSC和一个输出时钟CK_CNT。输入时钟CK_PSC就是系统时钟源的输出，输出CK_CNT则用来驱动计数器CNT计数。通过设置预分频器PSC的值（0~65535）可以得到不同的CK_CNT，计算公式：\(f_{CNT}=f_{PSC}/(PSC[15:0]+1)\)
计数器寄存器（TIMx_CNT）
高级/通用定时器的计数器有三种计数模式，分别为向上计数模式、向下计数模式和中心对齐计数模式。
- 向上计数模式：计数器从0开始计数，每来一个CK_CNT脉冲计数器就增加1，直到计数器的值与自动重载寄存器ARR值相等，然后计数器又从0开始计数并生成计数器上溢事件，计数器总是如此循环计数。如果禁用重复计数器，在计数器生成上溢事件就马上生成更新事件(UEV)；如果使能重复计数器，每生成一次上溢事件重复计数器内容就减1，直到重复计数器内容为0时才会生成更新事件。
- 向下计数模式：计数器从自动重载寄存器ARR值开始计数，每来一个CK_CNT脉冲计数器就减1，直到计数器值为0，然后计数器又从自动重载寄存器ARR值开始递减计数并生成计数器下溢事件，计数器总是如此循环计数。如果禁用重复计数器，在计数器生成下溢事件就马上生成更新事件；如果使能重复计数器，每生成一次下溢事件重复计数器内容就减1，直到重复计数器内容为0时才会生成更新事件。
- 中心对齐模式：计数器从0开始递增计数，直到计数值等于(ARR-1)值生成计数器上溢事件，然后从ARR值开始递减计数直到1生成计数器下溢事件。然后又从0开始计数，如此循环。每次发生计数器上溢和下溢事件都会生成更新事件。

自动重载寄存器（TIMx_ARR）
自动重载寄存器ARR用来存放与计数器CNT比较的值，如果两个值相等CNT就复位并递减重复计数器。可以通过TIMx_CR1寄存器的ARPE位控制自动重载影子寄存器功能，如果ARPE位置1，自动重载影子寄存器有效，只有在事件更新时才把TIMx_ARR值赋给影子寄存器。如果ARPE位为0，则修改TIMx_ARR值马上有效。
捕获/比较寄存器（TIMx_CCR）
通过比较计数器CNT的值跟比较寄存器CCR的值，两者相等时输出参考信号OCxREF的信号的极性就会改变，其中OCxREF=1（高电平）称之为有效电平， OCxREF=0（低电平）称之为无效电平，并且会产生比较中断CCxI，相应的标志位CCxIF（SR寄存器中）会置位。然后OCxREF再经过一系列的控制之后就成为真正的输出信号OCx/OCxN.

输出比较的工作流程（如上）：

TIMx_CCMR1：OC1M[2:0]用于输出比较模式选择
000: 冻结，001: 匹配时有效，010: 匹配时无效，011: 翻转电平，100: 强制无效，101: 强制有效，110: PWM模式1，111: PWM模式2
PWM模式1：TIMx_CNT < TIMx_CCR1 时通道1为有效电平，否则为无效电平
PWM模式2：TIMx_CNT < TIMx_CCR1 时通道1为无效电平，否则为有效电平
oc1ref：根据CNT和CCR1的比较结果输出有效电平/无效电平
oc1ref = 0 无效电平，oc1ref = 1 有效电平
TIMx_CC1P：CC1P表示输出极性
CC1P = 0 高电平为有效电平，CC1P = 1 低电平为有效电平
TIMx_CCER：CC1E表示输出使能
CC1E = 0 禁止输出，CC1E = 1 信号输出到对应的输出引脚

根据PWM模式1/2和向上/向下计数的不同选择，可排列组合出4种PWM输出波形：

	PWM模式1	PWM模式2
向上计数
向下计数

呼吸灯实验讲解

我们结合刚才学习的PWM和定时器基础知识，完成呼吸灯实验，实现板上LED亮度的渐变调节功能。

CUBEMX初始化配置

设置外部时钟
设置高速外部时钟HSE，选择RC振荡器
设置烧录和调试接口
设置Debug选项为Serial Wire
设置时钟树
点击锁相环PLLCLK，将系统时钟HCLK设置为最大值100MHz
设置定时器
点击TIM2，设置定时器时钟源为内部时钟源，设置定时器CH1为PWM Generation模式
- PWM频率 \(f_{pwm}=f_{clk}/(PSC+1)/(ARR+1)=100M/100/500=2kHz\)，注意：PSC和ARR要在实际值基础减1
- PWM占空比 \(duty=(CCR+1)/(ARR+1)\)，CCR可以在Pulse中设为固定值，也可以在程序中再修改
- Mode PWM模式，这里选1
- Pulse(占空比值) 16位二进制数（0-65536），作为PWM的初始脉冲宽度，先按默认值0
- Fast Mode PWM脉冲快速模式，决定从CNT和CCR匹配到引脚有输出，中间经过的时钟周期长短，这里不使能
- CH Polarity PWM极性，设置为低电平 PS: 由于LED是低电平点亮，所以我们把极性设置为Low
- CH Idle State PWM通道不输出时的状态，Set为高电平，Reset为低电平
项目文件配置
设置项目名称，设置存储路径，选择所用IDE（KEIL 5)

选择仅复制所需的.c和.h库文件，选择每个功能生成独立的.c和.h文件
然后点击GENERATE CODE，创建工程

Keil代码编写

核心函数讲解

以下是跟PWM相关的核心HAL库函数，需要重点理解：

初始化与通道配置（了解即可）
- HAL_TIM_PWM_Init(TIM_HandleTypeDef *htim)
  - 作用：把定时器配置成“PWM功能已初始化”的状态，配置基础时基单元（诸如PSC、ARR、CounterMode、ClockDivision、AutoReloadPreload 等）
  - 常见调用位置：CubeMX生成的MX_TIMx_Init()内部通常会调用
  - 注意：这一步不等于某个通道已经输出PWM，通道需要进一步Config配置 + Start启动输出
- HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(TIM_HandleTypeDef *htim, TIM_OC_InitTypeDef *sConfigOC, uint32_t Channel)
  - 作用：通过关键字段TIM_OC_InitTypeDef，配置某个通道为PWM模式（1或2）、极性、比较值、预装载等
  - 常见调用位置：在CubeMX生成的MX_TIMx_Init()内部通常会调用
  - 特点：一个定时器有多个PWM通道时，每个通道都要分别Config配置
- HAL_TIM_MspPostInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
  - 作用：配置PWM 引脚复用（GPIO AF）、速度、上下拉等
  - 特点：若只配置了定时器，但没配置PostInit或引脚AF不对，那么即便后续Start启动输出也无法在引脚上看到波形。
启动与停止输出（重点）
- HAL_TIM_PWM_Start(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel)
  - 作用：使能对应通道输出并启动计数器，让PWM从该通道输出
  - 内部通常会做的事：
    - 使能该通道比较输出（CCxE）
    - 使能计数器（CEN）
    - 对高级定时器（TIM1/TIM8 等）可能涉及主输出使能（MOE）相关处理
  - 典型用法：初始化后对需要的通道逐个Start
- HAL_TIM_PWM_Stop(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel)
  - 作用：关闭该通道PWM输出，并在合适情况下停止计数器
占空比、频率、相位在运行时的更新（重点）

记住：PWM的周期由PSC和ARR决定，占空比由CCR决定
- __HAL_TIM_SET_COMPARE(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel, uint32_t Compare)
  - 作用：直接写 CCRx（更新占空比）
  - 特点：若该通道 CCR 预装载启用（常见配置），则在更新事件 UEV（计数器溢出/Update）时生效，避免毛刺；若未启用预装载，写入后可能立刻生效，存在边沿瞬态的风险。
- __HAL_TIM_GET_COMPARE(htim, Channel)
  - 作用：读当前 CCR 值（便于调试或闭环计算）
- __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(htim, arr)
  - 作用：写 ARR（改变周期/频率的关键之一）
  - 特点：若启用 ARR 预装载，同样通常在 UEV 生效
- __HAL_TIM_SET_PRESCALER(htim, psc)
  - 作用：写 PSC（分频），常用于粗调频率范围
  - 特点：PSC 更新的生效时机与具体 TIM 实现相关，工程上通常配合产生一次更新事件
- __HAL_TIM_SET_COUNTER(htim, cnt) / __HAL_TIM_GET_COUNTER(htim)
  - 作用：写/读 CNT（可用于相位对齐、同步启动、调试计数状态）

配置下载工具
新建的工程所有配置都是默认的，我们需要选择ST-Link下载调试接口，勾选上下载后复位运行 keil配置下载工具

我们修改main.c文件创建一个呼吸灯的例程。
定义变量：

1
2
3

/* USER CODE BEGIN 1 */
  uint16_t pwmVal = 0;
/* USER CODE END 1 */

使能 TIM2 的 PWM Channel1 输出：

1
2
3

/* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
/* USER CODE END 2 */

在while循环中添加核心逻辑：

/* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
      while(pwmVal < 500)  {
          pwmVal++;
          __HAL_TIM_SetCompare(&htim2, TIM_CHANNEL_1, pwmVal);
          HAL_Delay(1);
      }
      while(pwmVal)  {
          pwmVal--;
          __HAL_TIM_SetCompare(&htim2, TIM_CHANNEL_1, pwmVal);
          HAL_Delay(1);
      }
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
/* USER CODE END 3 */