4.2 PWM呼吸灯实战

4.2 PWM 呼吸灯实战

上一节让定时器产生了精确节拍，这一节解锁它的第二条出口：比较输出。计数器每涨一次都与比较值 CCR 比一下，引脚电平随比较结果自动翻转——不需要 CPU 参与，方波就从引脚持续流出。把方波的占空比缓慢变化，LED 亮度随之渐变，这就是呼吸灯。它体量小，却是"数字系统输出模拟效果"的经典样本，电机调速、屏幕背光、舵机控制全是同一套原理的放大。

PWM 三要素：周期、占空比、分辨率

PWM（脉宽调制）用恒定周期的方波承载"模拟量"信息，信息藏在脉冲宽度里。三个参数定义一路 PWM：

硬件比较规则（PWM 模式 1，向上计数）：CNT < CCR 时输出有效电平（高），CNT ≥ CCR 输出无效电平（低）。所以 CCR 从 0 涨到 ARR+1，高电平从全无到全满，亮度自然从灭到最亮。分辨率与频率天生是一对冤家：ARR 越大分辨率越细，但周期越长（频率越低）。LED 呼吸灯对频率的底线是避开人眼可辨的闪烁——高于 100 Hz 起步，200 Hz 以上更稳；手机背光这类高档需求会冲到几万赫兹以消除相机拍摄的频闪纹。

配置 TIM3 通道输出 1 kHz PWM

目标：PA6（TIM3 通道 1 的复用引脚）输出 1 kHz、初始占空比 30% 的 PWM。先算参数：定时器时钟 72 MHz，要 1 kHz 周期且尽量高的分辨率 → PSC=71（滴答 1 MHz），ARR=999（1000 滴答 = 1 ms，分辨率 1000 档）：

#include "stm32f10x.h"

void pwm_tim3ch1_pa6_init(void)
{
    /* 1. 时钟：GPIOA 与 TIM3（APB1）都要开 */
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;

    /* 2. PA6 配成复用推挽输出（CNF=10, MODE=11）：
       PWM 波形由 TIM3 硬件驱动，引脚的控制权交给外设 */
    GPIOA->CRL &= ~(0xFUL << 24);
    GPIOA->CRL |=  (0xBUL << 24);       /* 0b1011 = 复用推挽 + 50 MHz */

    /* 3. 时基：与 4.1 同一套数学 */
    TIM3->PSC = 71;                     /* 72 MHz / 72 = 1 MHz 滴答 */
    TIM3->ARR = 999;                    /* 1000 滴答 = 1 kHz 波形，分辨率 1000 档 */

    /* 4. 比较通道：PWM 模式 1，使能通道输出 */
    TIM3->CCMR1 &= ~TIM_CCMR1_OC1M;     /* 清模式位段 */
    TIM3->CCMR1 |=  TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2;  /* 110 = PWM 模式 1 */
    TIM3->CCMR1 |=  TIM_CCMR1_OC1PE;    /* 使能 CCR1 预装载：改占空比在周期边界生效，无毛刺 */
    TIM3->CCER  |=  TIM_CCER_CC1E;      /* 通道 1 输出到引脚 */

    /* 5. 占空比初值 30%：CCR=300（0 到 999 计满 1000 档）*/
    TIM3->CCR1 = 300;

    TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN;           /* 启动 */
}

int main(void)
{
    pwm_tim3ch1_pa6_init();
    while (1) { }    /* 波形已在硬件上持续输出，CPU 可以去干别的了 */
}
​

五步里最值得咀嚼的是第 2 步和第 4 步。引脚配成"复用"意味着 GPIO 寄存器不再管电平，OC1 信号直通引脚——这与 3.1 节"寄存器决定电平"形成对照：GPIO 的终极使命是当好外设的出口。OC1PE 预装载位则是无毛刺的关键：没有它，运行中改 CCR 立即生效，可能恰好砍在周期中间，输出一个残缺脉冲；有了它，新值在下一个周期边界整体切换，LED 视觉上毫无波澜。

图 4-2：占空比渐变与 LED 亮度的对应

呼吸灯：渐变占空比的两种实现

硬件只管按 CCR 输出波形，"呼吸"靠软件定期改 CCR。最直接的实现是线性增减，配一个 10 ms 节拍（4.1 的 TIM3 中断正好提供）：

/* 基于 4.1 节的 g_ticks_10ms 节拍，线性呼吸 */
void breathe_linear(void)
{
    static uint16_t duty = 0;
    static int8_t   dir  = 1;          /* 1 渐亮，-1 渐暗 */

    if (g_ticks_10ms % 5 == 0) {       /* 每 50 ms 调一档：一个呼吸周期约 10 秒 */
        duty += (uint16_t)(dir * 5);
        if (duty >= 999) { duty = 999; dir = -1; }
        if (duty == 0)   { dir = 1; }
        TIM3->CCR1 = duty;             /* 改一个寄存器，波形即变 */
    }
}
​

跑起来会发现一个微妙现象：低占空比段（0 到 10%）亮得飞快，高占空比段变化却看不太出来。这不是错觉，是 LED 亮度与占空比近似线性、而人眼感知近似对数的落差。补救办法是用伽马曲线安排渐变表——多在低端排档位，高端粗着走：

/* 伽马校正渐变表：duty[i] = (i/32)^2.2 x 999，低端细分、高端粗分 */
static const uint16_t gamma_table[33] = {
      0,   1,   3,   6,  10,  15,  21,  28,  36,  45,
     55,  66,  79,  92, 107, 123, 140, 159, 178, 199,
    222, 245, 271, 297, 326, 355, 387, 420, 455, 492,
    530, 571, 613
};

void breathe_gamma(void)
{
    static uint8_t idx = 0;
    static int8_t  dir = 1;

    if (g_ticks_10ms % 8 == 0) {                 /* 每 80 ms 走一档 */
        idx = (uint8_t)(idx + dir);
        if (idx >= 32 || idx == 0) dir = -dir;
        TIM3->CCR1 = gamma_table[idx];
    }
}
​

查表法是嵌入式的万能榫头：把"算不过来"的数学在 PC 上预先算好存进 Flash（2.2 节的 const 数组正派上用场），运行时只做索引。工程里凡是曲线、字体、校准数据，几乎都这么处理。

从呼吸灯到舵机与电机：同一条数学

把参数换个用法，PWM 立刻变成另外两个世界的钥匙。舵机吃的是 50 Hz（周期 20 ms）信号，脉宽 0.5 到 2.5 ms 对应角度 0 到 180 度——换算成寄存器：PSC 设成滴答 10 us，ARR=1999，CCR 在 50 到 250 之间滑动就是角度旋钮。直流电机调速更直接：占空比即平均电压，20% 占空比约等于两成全速，配 H 桥还能换向。参数全变，原理一字未改：周期定节奏，CCR 定有效值。

ESP32 上的对应设施叫 LEDC（LED Controller），硬件通道同样以"频率 + 分辨率位"声明，一行 ledcWrite(channel, duty) 等价于改 CCR；写电机驱动时换 MCPWM 外设，还带死区与刹车。平台的外设名目繁多，你现在已经拥有把它们一眼看穿的透镜：找时钟、找周期寄存器、找比较寄存器。

下一章我们让芯片开口说话——串口。你会看到波特率发生器依然是一个定时器，而"打印调试"这个嵌入式最重要的习惯，从那一章起才算真正武装到位。