STM32实现呼吸灯效果原理

在 PWM 实现呼吸灯的过程中，核心的 “比较” 发生在定时器内部的计数器（CNT）与捕获比较寄存器（CCR）之间，这是硬件自动完成的操作。结合你提供的呼吸灯代码，具体逻辑如下：

一、谁和谁比较？

1. 比较双方：

   • 计数器（CNT）：定时器内部不断递增（或递减）的数值，范围是 0 到 ARR（自动重装载值，即 htim2.Init.Period）。
   • 捕获比较寄存器（CCR）：存储你通过代码设置的占空比数值（即 pwm_buffer 中的值），是一个固定值（直到下一次更新）。

2. 比较过程：定时器工作时，CNT 会从 0 开始递增，每来一个时钟脉冲加 1，直到达到ARR后重置为 0（向上计数模式）。在这个过程中，硬件会实时比较 CNT 和 CCR 的值：

   • 当 CNT < CCR 时：PWM 输出 “有效电平”（由 OCPolarity 定义，如高电平，LED 亮）。
   • 当 CNT >= CCR 时：PWM 输出 “无效电平”（如低电平，LED 暗）。

二、如何通过比较实现呼吸灯？

 pwm_buffer 数组，本质是一系列动态变化的 CCR 值。结合硬件比较逻辑，过程如下：

1. 初始状态：

   • 假设 pwm_buffer[0] = 0（CCR=0）。
   • 比较结果：CNT 始终 >= 0 → 输出无效电平（LED 暗）。

2. 亮度上升阶段：

   • pwm_buffer 中的值逐渐增大（如从 0→50→100→...→ARR）。
   • CCR 随数组值增大，CNT < CCR 的时间变长 → 有效电平持续时间增加 → LED 逐渐变亮。

3. 亮度下降阶段：

   • pwm_buffer 中的值逐渐减小（如从 ARR→100→50→...→0）。
   • CCR 随数组值减小，CNT < CCR 的时间变短 → 有效电平持续时间减少 → LED 逐渐变暗。

4. 循环往复：当 pwm_buffer 数组遍历完成后，重新从第一个值开始，形成 “暗→亮→暗” 的循环，即呼吸效果。

三、举例说明（假设 ARR=100）

• 若当前 CCR=30（来自pwm_buffer）：

  • CNT 从 0→29 时，CNT < 30 → 输出高电平（LED 亮，持续 30 个时钟周期）。
  • CNT 从 30→100 时，CNT >= 30 → 输出低电平（LED 暗，持续 70 个时钟周期）。
  • 占空比 = 30%，LED 较暗。

• 若当前 CCR=80：

  • 亮的时间占 80%，暗的时间占 20% → LED 较亮。

四、总结

呼吸灯的核心是定时器硬件自动比较 “计数器（CNT）” 和 “捕获比较寄存器（CCR）”，通过生成动态变化的 CCR 值（pwm_buffer），改变了 “亮 / 暗时间的比例”，最终实现了平滑的亮度变化。硬件比较是实时且自动的，代码更新 CCR 值即可控制呼吸效果。

五、代码

这个函数是STM32CubeMX自动生成的，用于初始化TIM2的基本配置

/* TIM2 init function */
// 这个函数是STM32CubeMX自动生成的，用于初始化TIM2的基本配置
void MX_TIM2_Init(void)
{/* USER CODE BEGIN TIM2_Init 0 */// 用户可以在初始化开始处添加代码/* USER CODE END TIM2_Init 0 */// 自动生成的局部变量定义TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};/* USER CODE BEGIN TIM2_Init 1 */// 用户可以在初始化中间添加代码/* USER CODE END TIM2_Init 1 */// 自动生成的定时器基本配置htim2.Instance = TIM2;htim2.Init.Prescaler = 71;            /* 72MHz/(71+1) = 1MHz计数频率 */htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;htim2.Init.Period = 999;              /* 1MHz/(999+1) = 1kHz PWM频率 */htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;HAL_TIM_Base_Init(&htim2);sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig);HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig);sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;sConfigOC.Pulse = 0;sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_3);/* USER CODE BEGIN TIM2_Init 2 */// 用户可以在初始化结束处添加代码/* USER CODE END TIM2_Init 2 */HAL_TIM_MspPostInit(&htim2);}

初始化tim2的底层硬件，打开tim2通道三和dma通道二。

// 这个函数是STM32CubeMX自动生成的，用于初始化TIM2的底层硬件
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef* tim_baseHandle)
{if(tim_baseHandle->Instance==TIM2){/* USER CODE BEGIN TIM2_MspInit 0 */// 用户可以在初始化开始处添加代码/* USER CODE END TIM2_MspInit 0 *//* TIM2 clock enable */// 自动生成的时钟使能代码__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();/* TIM2 DMA Init */// 自动生成的DMA配置代码/* TIM2_UP Init: 使用更新事件触发DMA写CCR3 */hdma_tim2_ch3_up.Instance = DMA1_Channel2; /* F1映射：TIM2_UP -> DMA1_Channel2 */hdma_tim2_ch3_up.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;hdma_tim2_ch3_up.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;hdma_tim2_ch3_up.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;hdma_tim2_ch3_up.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;hdma_tim2_ch3_up.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;hdma_tim2_ch3_up.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;hdma_tim2_ch3_up.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;HAL_DMA_Init(&hdma_tim2_ch3_up);/* 启动时钟 */__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();// 改为更新事件DMA请求__HAL_LINKDMA(tim_baseHandle,hdma[TIM_DMA_ID_UPDATE],hdma_tim2_ch3_up);/* TIM2 interrupt Init */// 自动生成的中断配置代码HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 0, 0);HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);/* USER CODE BEGIN TIM2_MspInit 1 */// 用户可以在初始化结束处添加代码/* USER CODE END TIM2_MspInit 1 */}
}

生成一个平滑的呼吸灯 PWM 占空比序列，通过将该序列按时间依次输出到 LED 的 PWM 通道，即可实现 LED 从暗→亮→暗的呼吸效果。

void MX_TIM2_PWM_Init(void)
{/* 动态生成平滑呼吸曲线：duty = sin^2(0..pi) * Period */float period = (float)htim2.Init.Period;float pi = 3.1415926f;for (int i = 0; i < PWM_BUFFER_SIZE; i++) {float phase = (pi * (float)i) / (float)(PWM_BUFFER_SIZE - 1);float s = sinf(phase);float duty = s * s * period;int val = (int)(duty + 0.5f);if (val < 0) val = 0;if (val > (int)period) val = (int)period;pwm_buffer[i] = (uint16_t)val;}
}

以下这段代码 Start_Breathing_LED(void) 是启动呼吸灯功能的核心函数，通过定时器 PWM + DMA的方式实现 LED 的自动呼吸效果，无需 CPU 频繁干预

void Start_Breathing_LED(void)
{HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_3);HAL_DMA_Start_IT(&hdma_tim2_ch3_up, (uint32_t)pwm_buffer, (uint32_t)&htim2.Instance->CCR3, PWM_BUFFER_SIZE);__HAL_TIM_ENABLE_DMA(&htim2, TIM_DMA_UPDATE);__HAL_TIM_ENABLE(&htim2);
}

以下是逐行代码的详细解释：

1. HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_3);

• 功能：启动 TIM2 定时器的通道 3（CH3）的 PWM 输出功能。
• 细节：
  • &htim2 是 TIM2 的句柄（包含定时器的配置参数，如周期、预分频等）。
  • TIM_CHANNEL_3 指定启用通道 3，该通道需提前配置为 PWM 模式（如TIM_OCMODE_PWM1），且对应引脚已配置为复用输出（通常在HAL_TIM_MspPostInit中完成）。
  • 调用后，TIM2_CH3 开始输出 PWM 波形，但此时占空比由CCR3寄存器的初始值决定，尚未进入呼吸模式。

2. HAL_DMA_Start_IT(&hdma_tim2_ch3_up, (uint32_t)pwm_buffer, (uint32_t)&htim2.Instance->CCR3, PWM_BUFFER_SIZE);

• 功能：启动 DMA 通道，并配置其从内存（pwm_buffer）向外设（CCR3寄存器）传输数据，同时使能 DMA 中断。
• 参数解析：
  • &hdma_tim2_ch3_up：TIM2_CH3 对应的 DMA 通道句柄（需提前在 CubeMX 中配置，如 STM32F103 中 TIM2_CH3 通常映射到 DMA1_Channel2）。
  • (uint32_t)pwm_buffer：源地址，即存储呼吸灯占空比序列的数组（你之前生成的sin²曲线数据）。
  • (uint32_t)&htim2.Instance->CCR3：目标地址，即 TIM2 通道 3 的捕获比较寄存器（CCR3），PWM 的占空比由该寄存器的值决定。
  • PWM_BUFFER_SIZE：传输次数，即需要从pwm_buffer传输到CCR3的数据总量（数组长度）。
• 作用：DMA 会自动将pwm_buffer中的值依次写入CCR3，无需 CPU 手动调用__HAL_TIM_SET_COMPARE，减少 CPU 负担。

3. __HAL_TIM_ENABLE_DMA(&htim2, TIM_DMA_UPDATE);

• 功能：使能 TIM2 的 “更新事件（Update Event）” 触发 DMA 传输。
• 细节：
  • 定时器的 “更新事件” 指计数器（CNT）从最大值（ARR）溢出并重置为 0 的时刻（向上计数模式）。
  • TIM_DMA_UPDATE 表示将 DMA 触发源绑定到 TIM2 的更新事件。
  • 使能后，每次 TIM2 发生更新事件（即一个 PWM 周期结束时），会自动触发 DMA 传输下一个占空比数据到CCR3。

4. __HAL_TIM_ENABLE(&htim2);

• 功能：启动 TIM2 定时器，使其开始计数。
• 细节：
  • 定时器启动后，计数器（CNT）开始从 0 递增，达到 ARR 后触发更新事件，进而触发 DMA 传输下一个占空比。
  • 结合前面的配置，此时整个流程会自动运行：TIM2计数 → 溢出触发更新事件 → DMA传输下一个占空比到CCR3 → TIM2根据新的CCR3输出PWM → 循环直到数组传输完成。

整体工作流程（呼吸灯实现逻辑）

1. 启动 PWM：HAL_TIM_PWM_Start 使 TIM2_CH3 开始输出 PWM，但初始占空比可能为 0。
2. 配置 DMA：HAL_DMA_Start_IT 让 DMA 准备好从pwm_buffer向CCR3传输数据，并允许 DMA 中断（方便传输完成后处理，如循环传输）。
3. 绑定触发源：__HAL_TIM_ENABLE_DMA 设定 “TIM2 更新事件” 作为 DMA 的触发信号，确保每个 PWM 周期更新一次占空比。
4. 启动定时器：__HAL_TIM_ENABLE 让 TIM2 开始工作，触发后续的计数、更新事件和 DMA 传输。

最终效果：pwm_buffer中的占空比序列会被 DMA 自动、周期性地写入CCR3，TIM2 根据实时的CCR3值输出 PWM，使 LED 按sin²曲线平滑亮暗变化，实现呼吸效果。

关键优势

• 无 CPU 干预：DMA 自动完成占空比更新，CPU 可空闲处理其他任务。
• 实时性强：每个 PWM 周期精准更新一次占空比，呼吸效果平滑无卡顿。
• 低功耗：减少 CPU 频繁中断或轮询，降低系统功耗。