第34章 TIM-全彩LED灯

第三十四章 TIM-全彩LED灯

1. 导入

全彩LED灯，实质上是一种把红、绿、蓝单色发光体集成到小面积区域中的LED灯，控制时对这三种颜色的灯管输出不同的光照强度，即可混合得到不同的颜色，其混色原理与光的三原色混合原理一致。

例如，若红绿蓝灯都能控制输出光照强度为[0:255]种等级，那么该灯可混合得到使用RGB888表示的所有颜色(包括以RGB三个灯管都全灭所表示的纯黑色)。

2. 全彩LED灯控制原理

本教程配套开发板中的RGB灯就是一种全彩LED灯，前面介绍LED基本控制原理的时候，只能控制RGB三色灯的亮灭，即RGB每盏灯有[0:1]两种等级，因此只能组合出8种颜色。

要使用STM32控制LED灯输出多种亮度等级，可以通过控制输出脉冲的占空比来实现。见图：

示例图中列出了周期相同而占空比分别为100%、80%、50和20%的脉冲波形，假如利用这样的脉冲控制LED灯，即可控制LED灯亮灭时间长度的比例。若提高脉冲的频率，LED灯将会高频率进行开关切换，由于视觉暂留效应，人眼看不到LED灯的开关导致的闪烁现象，而是感觉到使用不同占空比的脉冲控制LED灯时的亮度差别。即单个控制周期内，LED灯亮的平均时间越长，亮度就越高，反之越暗。

把脉冲信号占空比分成256个等级，即可用于控制LED灯输出256种亮度，使用三种这样的信号控制RGB灯即可得到256256256种颜色混合的效果。而要控制占空比，直接使用STM32定时器的PWM功能即可。

3. 硬件设计

本实验中的RGB灯使用阴极分别连接到了PB5、PB0及PB1，它们分别是定时器TIM3的通道2、3、4，其中PB5用于定时器输出通道时，需要使用重定义功能。

4. 软件设计

4.1 编程目标

初始化RGB灯使用的GPIO；
配置定时器输出PWM脉冲；
编写修改PWM脉冲占空比大小的函数；
测试配置的定时器脉冲控制周期是否会导致LED灯明显闪烁；

4.2 代码分析

定时器参数宏定义

// 定时器配置
#define COLOR_TIMx               TIM3                                        // 选择使用的定时器
#define COLOR_TIM_APBxClock_FUN  RCC_APB1PeriphClockCmd                      // 使能定时器时钟
#define COLOR_TIM_CLK            RCC_APB1Periph_TIM3                         // 定时器时钟
#define COLOR_TIM_GPIO_CLK       (RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_AFIO)  // 定时器GPIO时钟

三种灯及通道宏定义

// 红灯的引脚需要重映射
#define COLOR_GPIO_REMAP_FUN()        GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE);                 
// 红灯
#define COLOR_RED_TIM_LED_PORT         GPIOB
#define COLOR_RED_TIM_LED_PIN          GPIO_Pin_5
#define COLOR_RED_TIM_OCxInit          TIM_OC2Init          // 通道初始化函数
#define COLOR_RED_TIM_OCxPreloadConfig TIM_OC2PreloadConfig // 通道重载配置函数
// 通道比较寄存器，以TIMx->CCRx方式可访问该寄存器，设置新的比较值，控制占空比
// 以宏封装后，使用这种形式：COLOR_TIMx->COLOR_RED_CCRx ，可访问该通道的比较寄存器
#define  COLOR_RED_CCRx                CCR2        

// 绿灯
#define COLOR_GREEN_TIM_LED_PORT         GPIOB
#define COLOR_GREEN_TIM_LED_PIN          GPIO_Pin_0
#define COLOR_GREEN_TIM_OCxInit          TIM_OC3Init          // 通道初始化函数
#define COLOR_GREEN_TIM_OCxPreloadConfig TIM_OC3PreloadConfig // 通道重载配置函数
#define COLOR_GREEN_CCRx                 CCR3

// 蓝灯
#define COLOR_BLUE_TIM_LED_PORT          GPIOB
#define COLOR_BLUE_TIM_LED_PIN           GPIO_Pin_1
#define COLOR_BLUE_TIM_OCxInit           TIM_OC4Init          // 通道初始化函数
#define COLOR_BLUE_TIM_OCxPreloadConfig  TIM_OC4PreloadConfig // 通道重载配置函数
#define COLOR_BLUE_CCRx                  CCR4

这些宏定义非常丰富，包括使用的定时器编号COLOR_TIMx、定时器时钟使能库函数COLOR_TIM_APBxClock_FUN和引脚重映射操作COLOR_GPIO_REMAP_FUN。

控制各个LED灯时，每个颜色占用一个通道，这些与通道相关的也使用宏封装起来了，如：端口号COLOR_xxx_TIM_LED_PORT、引脚号COLOR_xxx_TIM_LED_PIN、通道初始化库函数COLOR_xxx_TIM_OCxInit、通道重载配置库函数COLOR_xxx_TIM_OCxPreloadConfig以及通道对应的比较寄存器名COLOR_xxx_CCRx。其中xxx宏中的xxx指RED、GREEN和BLUE三种颜色。

由于部分操作使用宏封装后不够直观，此处着重强调一下与通道相关的寄存器宏。为方便修改定时器某通道输出脉冲的占空比，初始化定时器后，可以直接使用形如“TIM3->CCR2=0xFFFFFF”的代码修改定时器TIM3通道2的比较寄存器中的数值，使用本工程中的宏封装后，形式改为“COLOR_TIMx->COLOR_RED_CCRx=0xFFFFFF”。

当然，其中出现的一个新的库函数值得我们介绍一下：

GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE) 是 STM32 标准外设库中的一个函数，用于配置 GPIO 引脚的复用功能。具体而言，它用于将 TIM3 定时器的部分功能从默认的引脚映射到其他引脚上。

函数参数说明

GPIO_PartialRemap_TIM3：这是一个枚举值，指定了要进行引脚复用的具体功能。在这个例子中，它表示 TIM3 定时器的部分复用。
ENABLE：这是一个布尔值，用于启用或禁用复用功能。在这里，ENABLE 启用引脚复用。

作用

引脚复用：STM32 微控制器允许某些引脚具有多个功能。GPIO_PinRemapConfig 函数可以改变引脚的功能映射。例如，TIM3 定时器的默认引脚可以被重新映射到其他引脚，以适应不同的硬件布局或设计需求。
部分复用：GPIO_PartialRemap_TIM3 表示 TIM3 的功能将被部分重新映射，而不是完全重新映射。

使用示例

如果你需要将 TIM3 的引脚从其默认位置重新映射到其他引脚，你可以使用这个函数来实现。例如，你可以将 TIM3 的 PWM 输出引脚从默认的 GPIO 端口重新映射到另一个端口，以避免与其他功能冲突。

TIM GPIO初始化

// 配置COLOR_TIMx复用输出PWM时用到的I/O
static void COLOR_TIMx_GPIO_Config(void) 
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  RCC_APB2PeriphClockCmd(COLOR_TIM_GPIO_CLK, ENABLE); // 使能GPIO时钟
  COLOR_GPIO_REMAP_FUN(); // 颜色LED引脚复用设置

  // 配置LED灯用到的引脚
  //红
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  COLOR_RED_TIM_LED_PIN;    
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  GPIO_Init(COLOR_RED_TIM_LED_PORT, &GPIO_InitStructure);

  // 绿
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  COLOR_GREEN_TIM_LED_PIN ;
  GPIO_Init(COLOR_GREEN_TIM_LED_PORT, &GPIO_InitStructure);

  // 蓝
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  COLOR_BLUE_TIM_LED_PIN ;
  GPIO_Init(COLOR_BLUE_TIM_LED_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

与LED灯的基本控制不同，由于本实验直接使用定时器输出通道的脉冲信号控制LED灯，此处代码把GPIO相关的引脚都配置成了复用推挽输出模式。其中由于红灯使用的引脚需要用到第二功能，本代码使用COLOR_GPIO_REMAP_FUN()进行了该引脚的功能重定义操作。

配置PWM信号和定时器模式

// 配置COLOR_TIMx输出的PWM信号的模式，如周期、极性
static void COLOR_TIMx_Mode_Config(void)
{
  TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
  TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;                                                                                
  COLOR_TIM_APBxClock_FUN(COLOR_TIM_CLK, ENABLE); // 使能COLOR_TIMx时钟

  // 基本定时器配置         
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 255;                    // 当定时器从0计数到255，即为256次，为一个定时周期
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 4000;                // 设置预分频
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;    // 设置时钟分频系数：不分频(这里用不到)
  TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;// 向上计数模式
  TIM_TimeBaseInit(COLOR_TIMx, &TIM_TimeBaseStructure);      // 初始化基本定时器

  // PWM模式配置
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;             // 配置为PWM模式1
  TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 使能输出
  TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;                            // 设置初始PWM脉冲宽度为0    
  TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;      // 当定时器计数值小于CCR_Val时为低电平

  // 使能通道和预装载
  COLOR_RED_TIM_OCxInit(COLOR_TIMx, &TIM_OCInitStructure);         // 实际是使用TIM_OC2Init初始化函数                              
  COLOR_RED_TIM_OCxPreloadConfig(COLOR_TIMx, TIM_OCPreload_Enable);// 实际使用TIM_OC2PreloadConfig重载通道函数                       

  // 使能通道和预装载
  COLOR_GREEN_TIM_OCxInit(COLOR_TIMx, &TIM_OCInitStructure);                                         
  COLOR_GREEN_TIM_OCxPreloadConfig(COLOR_TIMx, TIM_OCPreload_Enable);                        

  // 使能通道和预装载
  COLOR_BLUE_TIM_OCxInit(COLOR_TIMx, &TIM_OCInitStructure);                                         
  COLOR_BLUE_TIM_OCxPreloadConfig(COLOR_TIMx, TIM_OCPreload_Enable);                        

  TIM_ARRPreloadConfig(COLOR_TIMx, ENABLE); // 使能COLOR_TIMx重载寄存器ARR
  TIM_Cmd(COLOR_TIMx, ENABLE); // 使能定时器

本配置初始化了控制RGB灯用的定时器，它被配置为向上计数，TIM_Period被配置为255，即定时器每个时钟周期计数器加1，计数至255时溢出，从0开始重新计数；而代码中的PWM通道配置，当计数器的值小于输出比较寄存器CCRx的值时，PWM通道输出低电平，点亮LED灯。所以上述代码配置把输出脉冲的单个周期分成了256份（注意区分定时器的时钟周期和输出脉冲周期），而输出比较寄存器CCRx配置的值即该脉冲周期内LED灯点亮的时间份数，所以修改CCRx的值，即可控制输出[0:255]种亮度等级。

关于定时器中的TIM_Prescaler分频配置，只要让它设置使得PWM控制脉冲的频率足够高，让人看不出LED灯闪烁即可，可以修改使用其它参数测试。

上面还涉及到两个新的库函数，这里介绍一下：

TIM_OC2Init() 是 STM32 标准外设库中的一个函数，用于配置定时器的输出比较通道 2 (OC2) 的参数。这个函数用于设置定时器的输出比较模式，从而使其能够生成 PWM 信号或用于定时器的输出比较功能。

函数原型

void TIM_OC2Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);

参数说明

TIMx: 指定定时器的实例，比如 TIM1, TIM2, TIM3, 等。这个参数指定了你要配置的定时器。
TIM_OCInitStruct: 指向 TIM_OCInitTypeDef 结构体的指针，该结构体包含了配置输出比较通道的参数。

`TIM_OCInitTypeDef` 结构体

TIM_OCInitTypeDef 结构体用于定义输出比较通道的配置，通常包括以下字段：

TIM_OCMode: 定义输出比较模式。常见的模式有：
- TIM_OCMode_Active：通道输出为高电平。
- TIM_OCMode_Inactive：通道输出为低电平。
- TIM_OCMode_Toggle：通道输出状态反转。
- TIM_OCMode_PWM1：PWM 模式 1。
- TIM_OCMode_PWM2：PWM 模式 2。
TIM_OutputState: 定义输出状态，通常是 TIM_OutputState_Enable 或 TIM_OutputState_Disable。
TIM_Pulse: 设置比较值（脉冲宽度），即输出比较的比较寄存器值。这决定了 PWM 信号的占空比或输出比较事件的触发时间。
TIM_OCPolarity: 定义输出极性，通常是 TIM_OCPolarity_High 或 TIM_OCPolarity_Low。
TIM_OCNPolarity: 定义互补输出极性，仅在具有互补输出的定时器中使用。通常是 TIM_OCPolarity_High 或 TIM_OCPolarity_Low。
TIM_OCIdleState: 定义当定时器停止时输出的状态，通常是 TIM_OCIdleState_Set 或 TIM_OCIdleState_Reset。
TIM_OCNIdleState: 定义互补输出停止时的状态，仅在具有互补输出的定时器中使用。通常是 TIM_OCIdleState_Set 或 TIM_OCIdleState_Reset。

TIM_OC2PreloadConfig 是一个函数，用于启用或禁用定时器输出比较通道 2 的预装载寄存器。这个功能允许你在计数器溢出时更新输出比较寄存器的值，从而使得 PWM 信号或其他输出比较事件在下一个计数周期开始时立即生效。

函数原型

void TIM_OC2PreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCPreloadConfig TIM_OCPreload);

参数说明

TIMx: 指定定时器的实例，例如 TIM1, TIM2, TIM3 等。
TIM_OCPreload: 预装载配置。可以是以下值之一：
- TIM_OCPreload_Enable：启用预装载功能。
- TIM_OCPreload_Disable：禁用预装载功能。

呼吸灯初始化

// COLOR_TIMx 呼吸灯初始化
void COLOR_TIMx_LED_Init(void)
{
    COLOR_TIMx_GPIO_Config();
    COLOR_TIMx_Mode_Config();    
}

设置彩灯颜色

// 设置RGB LED的颜色
void SetRGBColor(uint32_t rgb)
{
    // 根据颜色值修改定时器的比较寄存器值
    COLOR_TIMx->COLOR_RED_CCRx = (uint8_t)(rgb>>16);   // R
    COLOR_TIMx->COLOR_GREEN_CCRx = (uint8_t)(rgb>>8);  // G     
    COLOR_TIMx->COLOR_BLUE_CCRx = (uint8_t)rgb;        // B
}

// 设置RGB LED的颜色
void SetColorValue(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b)
{
    //根据颜色值修改定时器的比较寄存器值
    COLOR_TIMx->COLOR_RED_CCRx = r;    
    COLOR_TIMx->COLOR_GREEN_CCRx = g;            
    COLOR_TIMx->COLOR_BLUE_CCRx = b;    
}

停止PWM输出

//停止pwm输出
void COLOR_TIMx_LED_Close(void)
{
    SetColorValue(0,0,0);         // 关闭LED灯
    TIM_Cmd(COLOR_TIMx, DISABLE); // 失能定时器                        
    COLOR_TIM_APBxClock_FUN(COLOR_TIM_CLK, DISABLE); // 失能定时器时钟
    // 关闭LED灯
    GPIO_SetBits(COLOR_RED_TIM_LED_PORT,COLOR_RED_TIM_LED_PIN);
    GPIO_SetBits(COLOR_GREEN_TIM_LED_PORT,COLOR_GREEN_TIM_LED_PIN);
    GPIO_SetBits(COLOR_BLUE_TIM_LED_PORT,COLOR_BLUE_TIM_LED_PIN);
}

主函数

int main(void)
{            
    COLOR_TIMx_LED_Init();

    while(1)
    {
        // 显示各种颜色
        SetRGBColor(0x8080ff);
        SOFT_DELAY();

        SetRGBColor(0xff8000);
        SOFT_DELAY();

        SetRGBColor(0xffc90e);
        SOFT_DELAY();

        SetColorValue(181,230,29);
        SOFT_DELAY();

        SetColorValue(255,128,64);
        SOFT_DELAY();        

    }        
}

main函数中直接调用了COLOR_TIMx_LED_Init函数，而该函数内部又直接调用了前面讲解的GPIO和PWM配置函数：COLOR_TIMx_GPIO_Config和COLOR_TIMx_Mode_Config。初始化完成后，在while循环中调用SetRGBColor和SetColorValue切换RGB灯显示的颜色。

5. 小结

这个实验还算简单，就是控制TIM3的不同通道来实现PWM，从而控制不同颜色的亮度来形成RGB，我们小结一下流程：

实验步骤

配置系统时钟：确保系统时钟正确配置，以便定时器能在所需的频率下工作。
启用 TIM3 时钟：使能 TIM3 的时钟。
配置 GPIO 引脚：将 TIM3 的通道引脚配置为复用功能模式，连接到 RGB 彩灯的每个颜色通道（红色、绿色、蓝色）。
配置 TIM3 的 PWM 模式：设置 TIM3 的三个通道（通道 1、2、3）为 PWM 模式。
设置 PWM 参数：配置 PWM 的频率、占空比，并启动 TIM3。
更新占空比：通过调整占空比来实现不同颜色的亮度变化。

示例代码

以下是一个简单的代码示例，展示如何用 TIM3 的三个通道控制 RGB 彩灯：

#include "stm32f0xx.h"

// 定义 PWM 参数
#define PWM_FREQUENCY 1000  // PWM 频率 1 kHz
#define PWM_PERIOD (SystemCoreClock / PWM_FREQUENCY) // PWM 周期

void TIM3_Config(void)
{
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

    // 启用 TIM3 时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

    // 配置 GPIO 引脚（假设引脚为 GPIOA 的 PA6, PA7, PA8）
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_GPIOA, ENABLE);
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7 | GPIO_Pin_8;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 选择复用功能
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource6, GPIO_AF_2); // TIM3_CH1
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource7, GPIO_AF_2); // TIM3_CH2
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource8, GPIO_AF_2); // TIM3_CH3

    // 配置 TIM3 时间基数
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = PWM_PERIOD - 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 配置 TIM3 通道 1、2、3 为 PWM 模式 1
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;  // 初始脉冲宽度为 0

    // 配置 TIM3 通道 1
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
    // 配置 TIM3 通道 2
    TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
    // 配置 TIM3 通道 3
    TIM_OC3Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

    // 启用 TIM3 的预装载功能
    TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
    TIM_OC3PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);

    // 使能 TIM3
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

int main(void)
{
    // 系统初始化
    SystemInit();
    
    // 配置 TIM3
    TIM3_Config();

    // 设置初始 RGB 颜色（例如全红）
    TIM_SetCompare1(TIM3, PWM_PERIOD / 2);  // 红色
    TIM_SetCompare2(TIM3, 0);               // 绿色
    TIM_SetCompare3(TIM3, 0);               // 蓝色

    while (1)
    {
        // 主循环，调节 RGB 颜色
        // 例如，逐步改变红色亮度
        for (int i = 0; i <= PWM_PERIOD; i += 10)
        {
            TIM_SetCompare1(TIM3, i);
            Delay(10); // 延时函数，调整亮度变化速度
        }
        // 同样可以实现绿色和蓝色的调整
    }
}

void Delay(__IO uint32_t nTime)
{
    // 简单延时函数实现
    for (; nTime != 0; nTime--);
}

代码说明

GPIO 配置：将 PA6、PA7、PA8 配置为 TIM3 的 PWM 输出引脚。
定时器配置：设置 TIM3 为 PWM 模式，周期根据所需的 PWM 频率计算。
PWM 配置：初始化三个通道（通道 1、2、3）为 PWM 模式，并设置初始脉冲宽度为 0。
颜色控制：通过改变 PWM 占空比来调整 RGB 彩灯的颜色。

2024.9.17 第一次修订，后期不再维护

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第34章 TIM-全彩LED灯

第三十四章 TIM-全彩LED灯

1. 导入

2. 全彩LED灯控制原理

3. 硬件设计

4. 软件设计

4.1 编程目标

4.2 代码分析

函数参数说明

作用

使用示例

函数原型

参数说明

TIM_OCInitTypeDef 结构体

函数原型

参数说明

5. 小结

实验步骤

示例代码

代码说明

公告

`TIM_OCInitTypeDef` 结构体