《ATK-DFPGL22G之FPGA开发指南_V1.0》第二十三章
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第二十三章 高级定时器互补输出带死区控制实验
本章将介绍使用APM32E103输出带死区和刹车控制的两路互补PWM。通过本章的学习，读者将学习到高级定时器的互补输出、死区插入和刹车的功能的使用。
本章分为如下几个小节：
23.1 硬件设计
23.2 程序设计
23.3下载验证
23.1 硬件设计
23.1.1 例程功能
1. 定时器1通道1及其互补通道输出频率为1KHz，占空比为30%的PWM，且带死区控制
2. 当定时器1的刹车输入引脚被拉高时，产生刹车时间，即定时器1停止输出PWM
3. LED0闪烁，指示程序正在运行
23.1.2 硬件资源
1. LED
LED0 - PB5
2. 定时器1
通道1正常输出通道 - PE9
通道1互补输出通道 - PE8
刹车输入 - PE15
23.1.3 原理图
本章实验使用的定时器1为APM32E103的片上资源，因此没有对应的连接原理图。
23.2 程序设计
23.2.1 Geehy标准库的TMR驱动
本章实验将使用TMR1的通道1和通道1的互补通道输出两路带死区的互补PWM，同时还使用到了刹车功能，其具体的配置步骤如下：
①：配置TMR1的自动重装载值和预分频器数值等参数
②：配置输出比较通道1及其互补通道
③：配置刹车和死区
④：使能TMR1
⑤：使能TMR1的PWM输出
⑥：使能输出比较通道1输出
⑦：使能输出比较通道1互补通道输出
⑧：配置互补PWM的死区时间
在Geehy标准库中对应的驱动函数如下：
①：配置TMR
请见第16.2.1小节中配置TMR的相关内容。
②：配置输出比较通道
请见第18.2.1小节中配置输出比较通道的相关内容。
③：配置刹车和死区
该函数用于配置刹车和死区，其函数原型如下所示：
void TMR_ConfigBDT(TMR_T* tmr, TMR_BDTConfig_T* BDTConfig);
该函数的形参描述，如下表所示：
表23.2.1.1 函数TMR_ConfigBDT()形参描述
该函数的返回值描述，如下表所示：
表23.2.1.2 函数TMR_ConfigBDT()返回值描述
该函数使用TMR_BDTConfig_T类型的结构体变量传入TMR刹车和死区的配置参数，该结构体的定义如下所示：
typedef enum
{
TMR_RMOS_STATE_DISABLE, /* 禁止输出 */
TMR_RMOS_STATE_ENABLE /* 输出无效电平 */
} TMR_RMOS_STATE_T;
typedef enum
{
TMR_IMOS_STATE_DISABLE, /* 禁止输出 */
TMR_IMOS_STATE_ENABLE /* 死区期间输出无效电平，否则输出空闲电平 */
} TMR_IMOS_STATE_T;
typedef enum
{
TMR_LOCK_LEVEL_OFF, /* 无锁定写保护 */
TMR_LOCK_LEVEL_1, /* 锁定写保护级别1 */
TMR_LOCK_LEVEL_2, /* 锁定写保护级别2 */
TMR_LOCK_LEVEL_3 /* 锁定写保护级别3 */
} TMR_LOCK_LEVEL_T;
typedef enum
{
TMR_BRK_STATE_DISABLE, /* 禁用刹车功能 */
TMR_BRK_STATE_ENABLE /* 使能刹车功能 */
} TMR_BRK_STATE_T;
typedef enum
{
TMR_BRK_POLARITY_LOW, /* 刹车输入低电平有效 */
TMR_BRK_POLARITY_HIGH /* 刹车输入高电平有效 */
} TMR_BRK_POLARITY_T;
typedef enum
{
TMR_AUTOMATIC_OUTPUT_DISABLE, /* 禁用自动输出 */
TMR_AUTOMATIC_OUTPUT_ENABLE /* 使能自动输出 */
} TMR_AUTOMATIC_OUTPUT_T;
typedef struct
{
TMR_RMOS_STATE_T RMOS; /* 运行模式下的关闭状态 */
TMR_IMOS_STATE_T IMOS; /* 空闲模式下的关闭状态 */
TMR_LOCK_LEVEL_T lockLevel; /* 锁定写保护模式 */
uint16_t deadTime; /* 互补输出通道的死区持续时间 */
TMR_BRK_STATE_T BRKState; /* 使能刹车功能 */
TMR_BRK_POLARITY_T BRKPolarity; /* 刹车输入极性 */
TMR_AUTOMATIC_OUTPUT_T automaticOutput; /* 使能自动输出 */
} TMR_BDTConfig_T;
该函数的使用示例，如下所示：
#include "apm32e10x.h"
#include "apm32e10x_tmr.h"
void example_fun(void)
{
TMR_BDTConfig_T tmr_bdt_init_struct;
/* 配置TMR1的刹车和死区 */
tmr_bdt_init_struct.RMOS = TMR_RMOS_STATE_DISABLE;
tmr_bdt_init_struct.IMOS = TMR_IMOS_STATE_DISABLE;
tmr_bdt_init_struct.lockLevel = TMR_LOCK_LEVEL_OFF;
tmr_bdt_init_struct.deadTime = 0;
tmr_bdt_init_struct.BRKState = TMR_BRK_STATE_ENABLE;
tmr_bdt_init_struct.BRKPolarity = TMR_BRK_POLARITY_HIGH;
tmr_bdt_init_struct.automaticOutput = TMR_AUTOMATIC_OUTPUT_ENABLE;
TMR_ConfigBDT(TMR1, &tmr_bdt_init_struct);
}
④：使能TMR
请见第16.2.1小节中使能TMR的相关内容。
⑤：使能高级定时器PWM输出
请见第21.2.1小节中使能高级定时器PWM输出的相关内容。
⑥：使能捕获比较通道
请见第18.2.1小节中使能捕获比较通道的相关内容。
⑦：使能捕获比较互补通道
该函数用于使能捕获不叫互补通道，其函数原型如下所示：
void TMR_EnableCCxChannel(TMR_T* tmr, TMR_CHANNEL_T channel);
该函数的形参描述，如下表所示：
表23.2.1.3 函数TMR_EnableCCxChannel()形参描述
该函数的返回值描述，如下表所示：
表23.2.1.4 函数TMR_EnableCCxChannel()返回值描述
该函数的使用示例，如下所示：
#include "apm32e10x.h"
#include "apm32e10x_tmr.h"
void example_fun(void)
{
/* 使能TMR1捕获比较通道1互补通道 */
TMR_EnableCCxChannel(TMR1, TMR_CHANNEL_1);
}
⑧：配置死区时间
高级定时器的死区时间配置，可以通过函数TMR_ConfigBDT()进行配置，也可以通过写寄存器的方式直接修改高级定时器刹车和死区寄存器的DTS位，示例如下所示：
#include " apm32e10x.h"
void example_fun(void)
{
/* 配置TMR1的死区时间 */
TMR1->BDT_B.DTS = 100;
}
23.2.2 高级定时器驱动
本章实验的高级定时器驱动主要负责向应用层提供高级定时器的初始化函数和PWM占空比、死区时间的配置函数。本章实验中，高级定时器驱动的驱动代码包括atmr.c和atmr.h两个文件。
高级定时器驱动中，对TMR、GPIO相关的宏定义，如下所示：
/* 高级定时器PWM输出引脚定义 */
#define ATMRX_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_PORT GPIOE
#define ATMRX_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_PIN GPIO_PIN_9
#define ATMRX_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_CLK_ENABLE() do{ RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_GPIOE); }while(0)
#define ATMRX_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_PORT GPIOE
#define ATMRX_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_PIN GPIO_PIN_8
#define ATMRX_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_CLK_ENABLE()do{ RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_GPIOE); }while(0)
#define ATMRX_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_REMAP() do{ \
RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_AFIO); \
GPIO_ConfigPinRemap(GPIO_FULL_REMAP_TMR1); \
}while(0)
#define ATMRX_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_PORT GPIOE
#define ATMRX_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_PIN GPIO_PIN_15
#define ATMRX_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_CLK_ENABLE()do{ RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_GPIOE); }while(0)
/* 高级定时器定义 */
#define ATMRX_TMRX_CPLM TMR1
#define ATMRX_TMRX_CPLM_CHY TMR_CHANNEL_1
#define ATMRX_TMRX_CPLM_CHY_CLK_ENABLE() do{ RCM_EnableAPB2PeriphClock(RCM_APB2_PERIPH_TMR1); }while(0)
高级定时器驱动中TMR1的初始化函数，如下所示：
/**
* @brief 初始化高级定时器互补输出
* @note
* 高级定时器的时钟来自APB2, 而PCLK2 = 120Mhz, 我们设置PPRE2不分频, 因此
* 高级定时器时钟 = 120Mhz
* 定时器溢出时间计算方法: Tout = ((arr + 1) * (psc + 1)) / Ft us.
* Ft=定时器工作频率,单位:Mhz
*
* @param arr: 自动重装值
* @param psc: 时钟预分频数
* @retval 无
*/
void atmr_tmrx_cplm_pwm_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
GPIO_Config_T gpio_init_struct;
TMR_BaseConfig_T tmr_init_struct;
TMR_OCConfig_T tmr_oc_init_struct;
TMR_BDTConfig_T tmr_bdt_init_struct;
ATMRX_TMRX_CPLM_CHY_CLK_ENABLE(); /* 高级定时器时钟使能 */
ATMRX_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 通道X对应IO口时钟使能 */
ATMRX_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 通道X互补通道对应IO口时钟使能 */
ATMRX_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_CLK_ENABLE(); /* 通道X刹车输入对应IO口时钟使能 */
gpio_init_struct.pin = ATMRX_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_PIN; /* 通道Y的GPIO口 */
gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_AF_PP; /* 推挽复用输出 */
gpio_init_struct.speed = GPIO_SPEED_50MHz; /* 高速 */
/* 初始化GPIO */
GPIO_Config(ATMRX_TMRX_CPLM_CHY_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
gpio_init_struct.pin = ATMRX_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_PIN;/* 通道YN的GPIO口 */
/* 初始化GPIO */
GPIO_Config(ATMRX_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
/* 设置为刹车输入引脚的GPIO口 */
gpio_init_struct.pin = ATMRX_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_PIN;
/* 初始化GPIO */
GPIO_Config(ATMRX_TMRX_CPLM_BKIN_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);
ATMRX_TMRX_CPLM_CHYN_GPIO_REMAP(); /* 映射定时器IO */
tmr_init_struct.division = psc; /* 定时器分频 */
tmr_init_struct.period = arr; /* 自动重装载值 */
tmr_init_struct.countMode = TMR_COUNTER_MODE_UP; /* 递增计数模式 */
tmr_init_struct.clockDivision = TMR_CLOCK_DIV_1; /* 配置预分频系数 */
TMR_ConfigTimeBase(ATMRX_TMRX_CPLM, &tmr_init_struct); /* 初始化PWM */
tmr_oc_init_struct.mode = TMR_OC_MODE_PWM1; /* 模式选择PWM1 */
tmr_oc_init_struct.outputState = TMR_OC_STATE_ENABLE;/* 输出状态 */
tmr_oc_init_struct.outputNState = TMR_OC_NSTATE_ENABLE;/* 互补输出状态 */
tmr_oc_init_struct.polarity = TMR_OC_POLARITY_LOW; /* 输出比较极性为低 */
tmr_oc_init_struct.nPolarity = TMR_OC_NPOLARITY_LOW; /* 输出比较N极性为低 */
tmr_oc_init_struct.idleState = TMR_OC_IDLE_STATE_SET;/* 当MOE=0，OCx=1 */
tmr_oc_init_struct.nIdleState = TMR_OC_NIDLE_STATE_SET;/* 当MOE=0，OCxN=1 */
if (ATMRX_TMRX_CPLM_CHY ==TMR_CHANNEL_1) /* 配置高级定时器通道 */
{
TMR_ConfigOC1(ATMRX_TMRX_CPLM, &tmr_oc_init_struct);
}
else if(ATMRX_TMRX_CPLM_CHY == TMR_CHANNEL_2)
{
TMR_ConfigOC2(ATMRX_TMRX_CPLM, &tmr_oc_init_struct);
}
else if(ATMRX_TMRX_CPLM_CHY == TMR_CHANNEL_3)
{
TMR_ConfigOC3(ATMRX_TMRX_CPLM, &tmr_oc_init_struct);
}
else if(ATMRX_TMRX_CPLM_CHY == TMR_CHANNEL_4)
{
TMR_ConfigOC4(ATMRX_TMRX_CPLM, &tmr_oc_init_struct);
}
/* 设置死区参数，开启死区中断 */
tmr_bdt_init_struct.RMOS = TMR_RMOS_STATE_DISABLE;/* 运行模式的关闭输出状态 */
tmr_bdt_init_struct.IMOS = TMR_IMOS_STATE_DISABLE;/* 空闲模式的关闭输出状态 */
tmr_bdt_init_struct.lockLevel = TMR_LOCK_LEVEL_OFF; /* 不用寄存器锁功能 */
tmr_bdt_init_struct.deadTime = 0; /* 配置死区时间 */
tmr_bdt_init_struct.BRKState = TMR_BRK_STATE_ENABLE;/* 使能刹车输入 */
/* 刹车输入有效信号极性为高 */
tmr_bdt_init_struct.BRKPolarity = TMR_BRK_POLARITY_HIGH;
/* 使能AOE位，允许刹车结束后自动恢复输出 */
tmr_bdt_init_struct.automaticOutput = TMR_AUTOMATIC_OUTPUT_ENABLE;
/* 配置：中断功能、死区时间、锁定级别、IMOS */
TMR_ConfigBDT(ATMRX_TMRX_CPLM, &tmr_bdt_init_struct);
TMR_EnableCCxChannel(ATMRX_TMRX_CPLM, TMR_CHANNEL_1);/* 使能捕获比较通道 */
TMR_Enable(ATMRX_TMRX_CPLM); /* 使能高级定时器 */
TMR_EnableAUTOReload(ATMRX_TMRX_CPLM); /* 配置重装载寄存器 */
TMR_EnablePWMOutputs(ATMRX_TMRX_CPLM); /* MOE=1,使能主输出 */
}
从上面的代码中可以看出，初始化函数不仅配置了TMR1的输出比较通道1输出PWM外，还配置使能了TMR1输出比较通道1的互补通道输出互补的PWM，同时还配置了死区时间和使能刹车功功能。
高级定时器驱动中配置PWM占空比和死区时间的函数，如下所示：
/**
* @brief 设置高级定时器输出比较值和死区时间
* @param ccr: 输出比较值
* @param dtg: 地区时间
* @note 当dtg = 0xx时，死区时间 = dtg * tDTS
* 当dtg = 10x时，死区时间 = (64 + dtg) * tDTS * 2
* 当dtg = 110时，死区时间 = (32 + dtg) * tDTS * 8
* 当dtg = 111时，死区时间 = (32 + dtg) * tDTS * 16
* tDTS = (2^TMRx_CTRL1) / TMRxCLK
* TMRxCLK为定时器时钟频率
* TMRx_CTRL1为定时器时钟分频系数
* @retval 无
*/
void atmr_tmrx_cplm_pwm_set(uint16_t ccr, uint8_t dtg)
{
ATMRX_TMRX_CPLM->BDT_B.DTS = dtg; /* 配置死区时间 */
if (ATMRX_TMRX_CPLM_CHY ==TMR_CHANNEL_1) /* 配置输出比较值 */
{
TMR_ConfigCompare1(ATMRX_TMRX_CPLM, ccr);
}
else if(ATMRX_TMRX_CPLM_CHY == TMR_CHANNEL_2)
{
TMR_ConfigCompare2(ATMRX_TMRX_CPLM, ccr);
}
else if(ATMRX_TMRX_CPLM_CHY == TMR_CHANNEL_3)
{
TMR_ConfigCompare3(ATMRX_TMRX_CPLM, ccr);
}
else if(ATMRX_TMRX_CPLM_CHY == TMR_CHANNEL_4)
{
TMR_ConfigCompare4(ATMRX_TMRX_CPLM, ccr);
}
}
从上面的代码中可以看出，该函数配置了TMR1的死区时间和输出比较值，因为配置PWM的占空比就是配置对应通道的输出比较值。
23.2.3 实验应用代码
本实验的应用代码，如下所示：
int main(void)
{
uint8_t t = 0;
NVIC_ConfigPriorityGroup(NVIC_PRIORITY_GROUP_4);/* 设置中断优先级分组为组4 */
sys_apm32_clock_init(15); /* 配置系统时钟 */
delay_init(120); /* 初始化延时功能 */
usart_init(115200); /* 初始化串口 */
led_init(); /* 初始化LED */
atmr_tmrx_cplm_pwm_init(1000 - 1, 120 - 1); /* 初始化通用定时器通道捕获 */
/* 高级定时器设置输出比较值和死区时间 */
atmr_tmrx_cplm_pwm_set(300, 100);
while (1)
{
delay_ms(10);
t++;
if (t >= 20)
{
/* LED0(RED)闪烁 */
LED0_TOGGLE();
t = 0;
}
}
}
从上面的代码中可以看到，TMR1的自动重装载值配置为(1000-1)，TMR1的预分频器数值配置为(120-1)，并且TMR1的时钟频率为120MHz，因此TMR1的计数频率为1MHz，且TMR1每计数1000次溢出一次，因此溢出频率为1KHz，因此TMR1通道1及其互补通道输出两路互补PWM的频率也应该为1KHz。
随后配置了TMR1通道1的比较值为(300)，与自动重装载值的比值为30%，因此输出PWM的占空比也应该为30%，同时配置了死区时间为100，因为TMR1的时钟频率为120MHz，因此死区时间在配置为100的情况下，对应的具体时间为(100*1/120MHz)ns≈833ns。
23.3 下载验证
在完成编译和烧录操作后，可以通过示波器观察PE8引脚和PE9引脚输出的两路PWM，可以发现，这两路PWM为互补PWM，且频率为1KHz、占空比为30%、死区时间大约为833ns。应为是能了刹车和自动输出功能，因此将PE15引脚接入有效的高电平后，可以看到两路PWM都被禁止输出了，撤销PE15引脚接入的高电平后，可以看到两路PWM有自动恢复输出了。
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