STM8S003F3通过PWM波实现三基色呼吸灯.docx

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STM8S003F3通过PWM波实现三基色呼吸灯

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STM8S003F3通过PWM波实现三基色呼吸灯

前段时间使用STM8S003F3实现了一个三基色灯的各种效果，故写一篇文章作为一个记录。

1综述

我们知道，要是的LED灯亮直接通电即可。

而要改变灯的亮度，我们有两种方法：

改变电流和PWM调光。

我们首先想到的就是改变它的驱动电流，因为LED的亮度是几乎和它的电流直接成正比关系。

然而用调正向电流的方法来调节亮度会产生一个问题：

在调亮度的同时也会改变它的光谱和色温，这样就会会产生色偏。

因为目前白光LED都是用蓝光LED加黄色荧光粉而产生，当正向电流减小时，蓝光LED亮度增加而黄色荧光粉的厚度并没有按比例减薄，从而使其光谱的主波长增长。

这个问题对于一般的照明是没有问题的，因为色温的变化量毕竟不是很大。

但是对电源来说当电流过小时会产生闪烁，除非电源的恒流范围很宽，完全可以从0到最大。

这样才没有问题。

简而言之，电流调光有色温变化和电源电流过小产生闪烁的问题。

曾经做过一个项目，用于某设备上需要非常非常平稳的调光，显然电流调光是无法实现。

同时像本文介绍的三基色调光有颜色要求的显然也不行。

因此我们使用PWM调光。

既然PWM调光可以避免上面的两个问题，为什么不直接都用PWM调光呢？

因为我们毕竟是做产品，要考虑成本问题。

使用PWM调光至少需要一颗能支持PWM的芯片（当然还有外围电路，但是电流调光也是有电路的。

我们也应该知道PWM信号也可以由脉冲发生器提供），另外它需要编写程序。

所以只有在需要的场合才使用PWM调光（使用PWM调光需要注意的问题是频率不能太低或者太高，推荐150-400Hz之间。

）。

PWM的优点如下：

● PWM调光就不会产生色偏，因为它总是工作在0或者最大两种状态。

● PWM的占空比很好控制，而且精度高

● 对电源没有影响，因为不会改变电源的工作条件，只是给电源开或者关。

2PWM波调光的原理

脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换及LED照明等许多领域中。

通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。

此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。

简言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

2.1占空比（DutyCycleorDutyRatio）

首先我们需要了解占空比，占空比的解释可以归纳为如下几种：

● 在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。

例如：

脉冲宽度1μs，信号周期4μs的脉冲序列占空比为0.25。

● 在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值。

● 在周期型的现象中，现象发生的时间与总时间的比。

通俗一点讲就是电路释放能量的有效时间与总释放时间的比。

2.2调光比

然后我们需要了解调光比，调光比则是按下面的方法计算（Foper：

工作频率；Fpwm：

调光频率；）：

调光比率=Foper/Fpwm，（其实也就是调光的最低有效占空比）

比如Foper=100KHZ；Fpwm=200Hz,则调光比为：

100K/200=500；这个指标在很多驱动芯片的规格书里会说明的。

2.3PWM调光

2.3.1PWM调光原理

●若一个占空比为10%的PWM输出，即10%的时间通，90%的时间断；

●若一个占空比为50%的PWM输出，即50%的时间通，50%的时间断；

●若一个占空比为90%的PWM输出，即90%的时间通，10%的时间断；

我们知道，人眼是有视觉暂留的，打个比方，人眼只能识别1us（（这个比方没有任何科学依据，仅仅为了便于理解）内光子的数量从而判断亮暗，如果1us接收了1000个光子，那么我们就会认为是一个亮度，至于这1000个光子是在1us什么时候收到，是没有任何影响的，也就是说，在0.1us的时候收到和0.2us的时候收到是没有区别的，我们需要关心的只是数量。

这就是为什么我们进行PWM调光的时候不能太慢（视觉暂留可以分辨）也不能太快（太快就没有区别了，就一直是最亮的）。

这样就好理解了，占空比是10%，就相当于给它加了一个0.9V的电压（因为10%通电时间里电流产生的效果和0.9V加在周内的时候是一样的）。

所以我们就可以通过占空比来条件亮度。

如果在50ms中，LED在这段时间中得到9V供电。

如果在下一个50ms中将开关断开，灯泡得到的供电将为0V。

如果在1秒钟内将此过程重复10次，灯泡将会点亮并象连接到了一个4.5V电池（9V的50%）上一样。

这种情况下，占空比为50%，调制频率为10Hz（T=1/f =1/10=0.1S）。

大多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz。

设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开……。

占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。

要让灯泡取得4.5V电压的供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。

要想取得调光灯（但保持点亮）的效果，必须提高调制频率。

在其他PWM应用场合也有同样的要求。

通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

通过上面的介绍，我们就知道了PWM调光的原理，那么我们来看看我们这个项目的原理。

2.3.2三基色呼吸灯原理

需求说明：

我们需要设置一个灯，它具有常亮、长暗、快闪、慢闪、呼吸5钟效果，并且要求这几种状态是可以变化的。

灯的颜色可以变化。

需求分析：

灯的颜色可以变化——确定使用三基色灯。

状态可以切换，我们使用串口调节灯的状态和灯的颜色（通过串口给单片机发送数据，然后将参数传给灯控制函数）。

我们使用PWM调节灯的亮度，通过改变捕获/比较寄存器的值来改变占空比从而改变亮度。

数学建模：

三个灯和一个灯的控制是一样的，由于我们使用的是PWM波调光所以灯只有两种状态：

断和通。

我们分析5种状态可以抽象成数学模型：

暗、上升、亮、下降4钟状态（长暗就是一直暗，常亮就是一直亮，快闪就是100%占空比而且频率比较快，慢闪就是100%占空比而且频率比较慢、呼吸就是占空比最低为10%然后以10%逐渐上升）。

然后我们确定需要输入的变量：

Value_LED_Red（红色灯的亮度）、Value_LED_Green（绿色灯的亮度）、Value_LED_Blue（蓝灯的亮度）、Value_ChangeOnce（上升或下降的速度）、HoldTime_Min（在低电平状态的持续时间）、HoldTime_Max（在高电平状态的持续时间）。

3实现过程

下面是TSSOP20封装的管脚图。

首先，我们要确定硬件管脚，但是事实上，因为我用的最多的就是TIM2和TIM4，因此我选用的TIM2_1（PC5，Red）、TIM2_2（PD3，Green）、TIM2_3（PD2，Blue），但是发现除了绿色以外都无法用PWM波控制，但是能用IO控制亮暗，后来查资料发现TIM2_1和TIM2_3早使用的时候必须给存储器地址分布重映射，也就是我们需要使用管脚的复用功能！

我们通过看《数据手册》发现，使用TIM2只有一个管脚是复用功能，因此选择TIM2。

但是我因为电路限制，所以还是用的上面所说的管脚（注意，TIM2_3有复用和不复用两种，我用的是复用）。

这也没有什么影响，我们可以学习一下管脚的复用功能。

3.1使用复用功能

我们首先看《数据手册》中关于管脚的描述（第一行是TSSOP20封装的管脚编号，第二行是UFQFPN20封装的管脚b）

从上面的图中我们可以看到，需要使用15、19管脚复用功能就需要设置AFR0和AFR1——使用复用功能就是设置AFR（Alternatefunctionremappingbits，候补功能映射位）——我们继续看芯片资料

其中OPT2【选项字节（Optionbyte）编程】和NOPT2需要是相反的（可能是出于校验考虑），我们从《数据手册》中可以知道：

应用程序可直接向目标地址进行写操作。

所以我们直接对这两个地址进行写操作，那么数值是多少呢？

我们继续看《数据手册》，如下图所示

从上图中我们可以看到，我们将AFR1设置为1，将AFR0设置成1。

代码如下：

[cpp] viewplain copy

1./***************************************************************  

2.*Function:

  FLASH_Init 

3.*Calls:

     void 

4.*Called By:

     All_Config.c     

5.*Input:

     void 

6.*OUTPUT:

    void 

7.*Return:

    void 

8.*DESCRIPTION:

   1.设置管脚复用功能（AFR0要设置为1 AFR1 要设置为1） 

9.                2.eeprom 每一次只能操作一个字节 

10.*Others:

    nothing 

11.***************************************************************/  

12.volatile unsigned char flash_OPT2 @0x4803;  

13.volatile unsigned char flash_NOPT2 @0x4804;  

14.#define FLASH_EOP  0X04  //FLASH_IAPSR 中位，编程是否结束  

15.#define FLASH_DUL  0X08  //flash  data eeprom 是否解锁标志位  

16.void FLASH_Init（）  

17.{  

18.    //第一步  初始化EEPROM  

19.    while（ （FLASH->IAPSR & FLASH_DUL） == 0X00 ）  

20.    {  

21.        FLASH->DUKR = 0XAE;     //中文资料上 说的和 实际是相反的  

22.        FLASH->DUKR = 0X56;  

23.        _asm（"NOP"）;   

24.    }  

25.      

26.    //第二步  对OPT进行编程，首先需要如下操作：

开启opt编程  

27.    FLASH->CR2 |= 0X80;     //OPT  = 1  

28.    FLASH->NCR2 &= 0X7F;    //NOPT = 0  

29.      

30.    //第三步  修改内存  

31.    /*************************** 

32.    1.修改参数，启用复用功能 

33.    2.OPT2 和 NOPT2要相反 

34.    ****************************/  

35.    //修改OPT2  

36.    flash_OPT2 = 0X03;      // 0000 0011  

37.    _asm（"NOP"）;   

38.    while（ （FLASH->IAPSR & FLASH_EOP） == 0 ）;  //等待操作完成   

39.    //修改NOPT2  

40.    flash_NOPT2 = ~flash_OPT2;  

41.    _asm（"NOP"）;   

42.    while（ （FLASH->IAPSR & FLASH_EOP） == 0 ）;  //等待操作完成  

43.     

44.    //第四步  对OPT进行编程，最后需要如下操作：

禁用opt编程  

45.    FLASH->CR2 &= ~0X80;    //OPT  = 1  

46.    FLASH->NCR2 |= 0X80;    //NOPT = 0  

47.}  

这样，我们就完成了复用功能的“存储器地址分布重映射”。

3.2初始化定时器

我们使用TIM2产生PWM波来控制三基色灯，所以，我们需要对TIM2进行初始化。

3.2.1使能设置

首先无论使用什么，第一步就是使能，在《数据手册》的时钟控制中我们看到如下信息：

我们就可以确定使能TIM2的代码：

CLK->PCKENR1|=CLK_PCKENR1_TIM2;

3.2.2设置频率

然后，TIM2的主频（决定着周期）是和单片机一样的（这个频率由时钟控制），我们可以进行分频（分频越多我们调节的就越精细），我们在《数据手册》“预分频器高8位”和“预分频器低8位”中可以看到：

我们就可以确定分频代码：

TIM2->PSCR=5;其中上图所描述的更新事件我们这里就是计数器清0。

3.2.3选择PWM波

我们查看《数据手册》的17.5.7PWM模式可以看到，脉冲宽度调制（PWM）模式可以产生一个由TIM1_ARR寄存器确定频率、由TIM1_CCRi寄存器确定占空比的信号。

PWM模式是捕获/比较模式寄存器1（TIM1_CCMR1）来控制的，我们选择PWM模式2、开启TIM1_CCR1寄存器的预装载功能、CC1通道被配置为输出（其余不变），我们可以从《数据手册》中看到：

我们就可以确定代码为：

TIM2->CCMR1=0X68;

3.2.4设置PWM波的频率

在《参考手册》中可以看到，在PWM模式（模式1或模式2）下，TIM1_CNT和TIM1_CCRi始终在进行比较：

a.（依据计数器的计数方向）以确定是否符合TIM1_CCRi≤TIM1_CNT或者TIM1_CNT≤TIM1_CCRi（我们在TIM1_CR1中设置为向上计数、边沿对齐模式）。

b.根据TIM1_CR1寄存器中CMS位域的状态，定时器能够产生边沿对齐的PWM信号或中央对齐的PWM信号。

我们查看《数据手册》发现（可以参见——17.3.4 向上计数模式）：

我们为了调光的均匀，将使得TIM2_ARR=255，根据上图，我们可以知道，最亮为255，最暗为0.255就是PWM波的频率（因为TIM1和TIMX的PWM功能是相同资料互用的，因此上图为TIM1的资料）。

3.2.5初始化PWM波的亮度 

根据上面的内容我们知道占空比（也就是亮度）是TIM2_CCR决定的，我们初始化为零：

TIM2->CCR1H=0;TIM2->CCR1L=0;

3.2.6计数器使能、捕获比较寄存器使能

关于这两个使能我们可以自己查询《数据手册》，需要提一点的是TIMx_CCER1控制比较/捕获寄存器1和比较/捕获寄存器2。

TIMx_CCER2控制比较/捕获寄存器3。

3.2.7TIM2产生PWM波的初始化程序

具体代码如下：

[cpp] viewplain copy

1./*************************************************  

2.*Function:

  TIM2_InitPwmCtrl 

3.*Calls:

     void 

4.*Called By:

     All_Config.c     

5.*Input:

     void 

6.*OUTPUT:

    void 

7.*Return:

    void 

8.*DESCRIPTION:

   1.初始化与PWM相关的TIM2 

9.                2.TIMx_CCER1控制  比较/捕获寄存器1和 

10.                  比较/捕获寄存器2 

11.                3.TIMx_CCER1控制  比较/捕获寄存器3 

12.*Others:

    nothing 

13.*************************************************/  

14.void TIM2_InitPwmCtrl（）  

15.{  

16.    CLK->PCKENR1 |= CLK_PCKENR1_TIM2;   //TIM2 使能    

17.      

18.    /********************************************************** 

19.    1.预分频器 

20.    2.设置定时器的时钟（根据已经分频的主时钟来分频） 

21.    3.分频系数越大，周期越大，也就是频率越低 

22.    4.分频系数1 ~ 2^15,如果为5就是32分频（原来为16MHZ） 

23.    **********************************************************/  

24.    TIM2-> PSCR = 5;  

25.      

26.    //选择TIM2通道1的工作模式（PWM2波的模式）  

27.    TIM2-> CCMR1 = 0X68;    //0110 1000  

28.    TIM2-> CCMR2 = 0X68;  

29.    TIM2-> CCMR3 = 0X68;  

30.      

31.    /********************************************************** 

32.    1.自动装载寄存器（分高低位——也就是16位寄存器） 

33.    2.（每次就是上面分频后的时间，假设分频后是2us），每2us复位一次 

34.      定时器2,也就是说计数器每变化一次耗时2us，0到255经过255个2us 

35.    3.在这个工程中，我们认为255就是最亮（也就是在周期内都是高）， 

36.      当然我们可以设置250，设置多少就看精细程度了 

37.    **********************************************************/  

38.    TIM2-> ARRH = 0;  

39.    TIM2-> ARRL = 255 & 0X0FF;  

40.      

41.    /********************************************************** 

42.    1.捕获/比较寄存器 

43.    2.设置亮度，这一位控制占空比 

44.    **********************************************************/  

45.    TIM2-> CCR1H = 0;  

46.    TIM2-> CCR1L = 0;   

47.    TIM2-> CCR2H = 0;  

48.    TIM2-> CCR2L = 0;   

49.    TIM2-> CCR3H = 0;  

50.    TIM2-> CCR3L = 0;   

51.  

52.    /********************************************************** 

53.    1.计数器使能 

54.    2.捕获/比较使能寄存器 使能 

55.    **********************************************************/  

56.    TIM2->CR1 |= TIM2_CR1_CEN;      //使能  计数器  

57.    TIM2->CCER1 |= TIM2_CCER1_CC1E; //使能  捕获/比较寄存器1  

58.    TIM2->CCER1 |= TIM2_CCER1_CC2E; //使能  捕获/比较寄存器2  

59.    TIM2->CCER2 |= TIM2_CCER2_CC3E; //使能  捕获/比较寄存器3  

60.}  

3.3实现调光

初始化完成我们就需要进行调光了，我们调光的逻辑是这样的：

a.在UART中接收到调光的数据后调用“参数接收函数”

b.“参数接收函数”接收到数据后保存数据，并打开中断（我们选用TIM4）条件（我们用的是标志位来觉得是否调用“调光函数”）

c.TIM4调用“调光函数”

为什么我们不直接在UART中接收到参数后直接调用调光函数而非得让TIM4调用呢？

3.3.1 参数接收函数

上面已经说明，我们设计的时候会接收到6个参数，在这个函数里，我们需要做4件事

a.我们在“参数接收函数”中将这些参数赋值给全局变量（为什么我们不实用传参呢？

因为我们用到中断没法传参）

b.如果R、D、G的值全为0，我们只需要将占空比全部设置为0即可，无需其他操作

c.如果Value_ChangeOnce为0，我们直接将占空比设置为输入的R、G、B值，无需其他操作

d.除去上面两种情况外，我们需要更改TIM4是否需要调用“调节函数”的标志位gEnableChangeLED

具体代码如下：

[cpp] viewplain copy

1./************************************************************** 

2.*Function:

  SetCurLightShow 

3.*Calls:

     void 

4.*Called By:

     void     

5.*Input:

     u8 Value_LED_Red    接收到的Red的亮度值 

6.                u8 Value_LED_Green  接收到的Green的亮度值 

7.                u8 Value_LED_Blue   接收到的Blue的亮度值 

8.                u8 Value_ChangeOnce 上升/下降一次的程度 

9.                u8 HoldTime_Min     在最低亮度保持的时间 

10.                u8 HoldTime_Max     在最高亮度保持的时间 

11.*OUTPUT:

    void 

12.*Return:

    void 

13.*DESCRIPTION:

   1.接收参数，进行情况判断 

14.                2.保存接收的数据到全局变量中 

15.                3.进行2种特殊情况的处理