如何使用单个定时器驱动多路模拟PWM输出？

背景

现在的主流MCU都支持硬件PWM输出，以STM32F103为例，通用定时器可以支持4路占空比可调的PWM输出，高级定时器可以支持4路带互补输出的PWM输出。硬件产生PWM，具有稳定可靠、执行效率高的特点。

但是，硬件产生的PWM也有一些限制，例如：1.输出引脚位置固定，PCB连线可能会不方便；2.输出引脚的数量有限，在一些需要多通道输出的应用中（如多路控温）会占用过多定时器。

虚拟PWM库特性

由于项目需要，笔者编写了VirPwm库，以实现对任意GPIO的产生PWM的驱动。它具有如下特性：

1. 资源占用小。只需要在一个定时器（软件定时器、硬件定时器均可）周期性的调用
   void VirPwm_TimIRQHandler(VirPwm *VirPwmDef)即可。
2. 可移植性好。本库是基于STM32F103开发的，但是充分考虑了一直到其他平台上的可能性。通过为VirPwmDef->SetOut函数指针注册端口输出函数以及修改void VirPwm_SetFreq(VirPwm *VirPwmDef, uint16_t freq)的实现，可以顺利实现移植。
3. 灵活性强。由于开发了端口设置函数指针typedef void (*VirPwm_SetOutput)(uint8_t state)，使用者可以*编写函数（如同时驱动多路GPIO输出PWM）作为回调。
4. 一个定时器可以驱动多路占空比不同的PWM。通过结构体VirPwm抽象了虚拟PWM，定义不同的结构体变量，设置它们的不同的占空比，在定时器的更新中断中周期性的调用void VirPwm_TimIRQHandler(VirPwm *VirPwmDef)函数，并依次传入不同的结构体变量参数，即可实现驱动频率相同、占空比不同的多组PWM输出。

源码介绍

头文件 virtual_pwm.h

/*
 * virtual_pwm.h
 *
 *  Created on: 2020年8月12日
 *      Author: Tao
 */

#ifndef LIBRARIES_SYSEXTEND_INC_VIRTUAL_PWM_H_
#define LIBRARIES_SYSEXTEND_INC_VIRTUAL_PWM_H_

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_conf.h"

/**
 * VirPwm_SetOutput是函数指针类型变量，用来回调端口输出函数
 */
typedef void (*VirPwm_SetOutput)(uint8_t state);

/**
 * 虚拟PWM的结构体类型，通过此变量类型可以完整的定义一个虚拟PWM，以供本库的函数操作
 */
typedef struct{
	uint8_t Status;
	uint8_t Idle;
	uint16_t Frequency;
	uint16_t DutyCycle;
	TIM_TypeDef *Basetimer;
	VirPwm_SetOutput SetOut;
} VirPwm;

/**
 * 与平台相关， 操作GPIO的宏定义
 */
#define DIG_OUTPUT_1			GPIOA_OUT(5)

extern VirPwm VirPwmDef;

void VirPwm_Init(VirPwm *VirPwmDef,uint16_t freq,uint16_t dutyCycle,uint8_t idle, VirPwm_SetOutput setOutHandler);
void VirPwm_SetStatus(VirPwm *VirPwmDef, uint8_t status);
void VirPwm_SetFreq(VirPwm *VirPwmDef, uint16_t freq);
void VirPwm_SetDutyCycle(VirPwm *VirPwmDef, uint16_t dutyCycle);
void VirPwm_SetIdle(VirPwm *VirPwmDef, uint8_t idle);
void VirPwm_TimIRQHandler(VirPwm *VirPwmDef);
void VirPwm_SetOutHandler(uint8_t state);

#endif /* LIBRARIES_SYSEXTEND_INC_VIRTUAL_PWM_H_ */

源文件 vir_pwm.c

/*
 * virtual_pwm.c
 *
 *  Created on: 2020年8月12日
 *      Author: Tao
 */

#include "virtual_pwm.h"

/**
 * 使用虚拟PWM库时，应当在他处配置好定时器（由宏定义VIRPWM_TIMER指定），
 * 并在该定时器的中断服务函数中调用void VirPwm_TimIRQHandler()。
 * 同时，应该在外部为void (*VirPwm_SetOutputHandler)(uint8_t state)注册一个函数，
 * 以实现端口的电平翻转操作。
 */

VirPwm VirPwmDef = {
		.Status = 0,
		.Idle = 0,
		.Frequency = 100,
		.DutyCycle = 50,
		.Basetimer = TIM4,
		.SetOut = VirPwm_SetOutHandler,
		.count_P = 0,
		.count_N = 100
};


/**
 * @brief 完成初始化VirPwmDef结构体指针
 * 		也可以直接在定义结构体的时候完成初始化，而不必调用本函数
 * @param VirPwm: 虚拟PWM的定义结构体指针
 * @param freq: 虚拟PWM的频率
 * @param dutyCycle: 虚拟PWM的占空比
 * @param idle: 虚拟PWM的空闲状态
 */
void VirPwm_Init(VirPwm *VirPwmDef,uint16_t freq,uint16_t dutyCycle,uint8_t idle)
{
	VirPwm_SetFreq(VirPwmDef,freq);
	VirPwm_SetDutyCycle(VirPwmDef, dutyCycle);
	VirPwm_SetIdle(VirPwmDef, idle);
}

/**
 * @brief 设置虚拟PWM的工作状态
 * @param VirPwm: 需要操作的虚拟PWM
 * @param status: 0, disable; 1, enable
 */
void VirPwm_SetStatus(VirPwm *VirPwmDef, uint8_t status)
{
	if(status != 0)
	{
		VirPwmDef->Status = 1;
	}
	else
	{
		VirPwmDef->Status = 0;
	}

	TIM_Cmd(VirPwmDef->Basetimer, VirPwmDef->Status);

	//关闭虚拟PWM之后，将输出电平恢复为idle状态
	if(VirPwmDef->Status == 0)
	{
		if(VirPwmDef->Idle != 0)
		{
			VirPwmDef->SetOut(1);
		}
		else
		{
			VirPwmDef->SetOut(0);
		}
	}
}


/**
 * @brief 设置虚拟PWM的频率
 * 		虚拟PWM的频率*100即为定时器的更新频
 * @param VirPwm: 需要操作的虚拟PWM
 * @param freq: frequency of the virtual pwm, ranged from 1~1000 Hz
 * 		由于虚拟PWM拥有较低的效率，占用较多的CPU时间，因此不能设置较高的工作频率，否则会影响系统的正常工作。
 */
void VirPwm_SetFreq(VirPwm *VirPwmDef, uint16_t freq)
{
	//0~100 duty cycle
	uint32_t timer_freq;

	//Range of frequency is 1 to 1000.
	if (freq > 1000)
	{
		freq = 1000;
	}

	if(freq < 1)
	{
		freq = 1;
	}

	VirPwmDef->Frequency = freq;

	timer_freq = VirPwmDef->Frequency*100;			//100~100k

	//timer_freq < 1k, psc = 7200, f = 10kHz 100*100 Hz (freq < 10)
	if(timer_freq<1000)
	{
		VirPwmDef->Basetimer->PSC = 7200 - 1;
	}
	//timer_freq < 10k, psc = 720, f = 100kHz 1k*100 Hz (freq < 100)
	else if(timer_freq <10000)
	{
		VirPwmDef->Basetimer->PSC = 720 - 1;
	}
	//timer_freq < 100k, psc = 72, f = 1MHz 10k*100 Hz (freq < 1000)
	else
	{
		VirPwmDef->Basetimer->PSC = 72 - 1;
	}

	//Set the update frequency of the timer.
	VirPwmDef->Basetimer->ARR = 72000000.0 / (VirPwmDef->Basetimer->PSC + 1) / timer_freq - 1;
}

/**
 * @brief 设置虚拟PWM的占空比
 * @param VirPwm: 需要操作的虚拟PWM
 * @param dutyCycle: duty cycle of the virtual pwm, ranged from 1~100 (%).
 * 		由于性能限制，虚拟PWM支持的占空比分辨率为1%，范围为0~100%。
 */
void VirPwm_SetDutyCycle(VirPwm *VirPwmDef, uint16_t dutyCycle)
{
	//Range of duty cycle is 0 to 100.
	if (dutyCycle > 100)
	{
		dutyCycle = 100;
	}

	VirPwmDef->DutyCycle = dutyCycle;
}


/**
 * @brief 设置虚拟PWM的极性
 * @param VirPwm: 需要操作的虚拟PWM
 * @param idle:	虚拟PWM在空闲状态下的电平
 */
void VirPwm_SetIdle(VirPwm *VirPwmDef, uint8_t idle)
{
	if(idle != 0)
	{
		VirPwmDef->Idle = 1;
	}
	else
	{
		VirPwmDef->Idle = 0;
	}
}

/**
 * @brief 在定时器中断中周期性调用
 * @param VirPwm: 需要操作的虚拟PWM
 */
void VirPwm_TimIRQHandler(VirPwm *VirPwmDef)
{
	//占空比为0，则直接关闭PWM输出，将端口设置为idle状态
	if(VirPwmDef->DutyCycle == 0)
	{
		if(VirPwmDef->Idle != 0)
		{
			VirPwmDef->SetOut(1);
		}
		else
		{
			VirPwmDef->SetOut(0);
		}
		
		return;
	}
	
	if(VirPwmDef->count_P == 0)
	{
		if(VirPwmDef->count_N == 0)
		{
			VirPwmDef->count_P = VirPwmDef->DutyCycle;
			VirPwmDef->count_N = 100 - VirPwmDef->DutyCycle;
			VirPwmDef->SetOut(1);
		}
		else
		{
			VirPwmDef->count_N--;
			VirPwmDef->SetOut(0);
		}
	}
	else
	{
		VirPwmDef->count_P--;
		VirPwmDef->SetOut(1);
	}
}

/**
 * @brief 注册为实现端口输出SetOut的服务函数（与具体项目相关）
 * @param VirPwm: 需要操作的虚拟PWM
 */
void VirPwm_SetOutHandler(uint8_t state)
{
	DIG_OUTPUT_1 = state;
}

使用说明

需要设置不同占空比的PWM应当分别定义一个VirPwm结构体变量：

VirPwm VirPwmDef1, VirPwmDef2;

建议在声明的时候直接初始化这些结构体变量，如：

VirPwm VirPwmDef1 = {
		.Status = 0,
		.Idle = 0,
		.Frequency = 100,
		.DutyCycle = 50,
		.Basetimer = TIM4,
		.SetOut = VirPwm_SetOutHandler1
		.count_P = 0,
		.count_N = 100
};

VirPwm VirPwmDef2 = {
		.Status = 0,
		.Idle = 0,
		.Frequency = 100,
		.DutyCycle = 75,
		.Basetimer = TIM4,
		.SetOut = VirPwm_SetOutHandler2
		.count_P = 0,
		.count_N = 100
};

也可以使用void VirPwm_Init(VirPwm *VirPwmDef,uint16_t freq,uint16_t dutyCycle,uint8_t idle), void VirPwm_SetFreq(VirPwm *VirPwmDef, uint16_t freq), void VirPwm_SetDutyCycle(VirPwm *VirPwmDef, uint16_t dutyCycle), void VirPwm_SetIdle(VirPwm *VirPwmDef, uint8_t idle)去设置这些结构体变量的成员。

如果PWM结构体的频率相同，可以共同使用同一个定时器，例如上面.Basetimer = TIM4。在定时器的更新中断处理函数中顺序调用void VirPwm_TimIRQHandler(VirPwm *VirPwmDef)，并传入相应的PWM结构体变量。如果PWM结构体的频率不同，.Basetimer需要设置不同的定时器，这是因为定时器的更新频率设置为PWM频率的100倍，如果频率不同的PWM设置了同一个定时器，或造成频率混乱。

对于不同的PWM结构体，应该有不同的端口操作回调函数注册到.SetOut。虽然理论上可将同一个端口操作回调函数注册到不同的PWM结构体.SetOut成员中，但不建议这么做，因为可能导致控制逻辑的混乱。示例如下：

VirPwm VirPwmDef1 = {
		/*省略无关代码*/
		.SetOut = VirPwm_SetOutHandler1
		/*省略无关代码*/
};

VirPwm VirPwmDef2 = {
		/*省略无关代码*/
		.SetOut = VirPwm_SetOutHandler2
		/*省略无关代码*/
};

/**
 * @brief 注册为实现端口输出SetOut的服务函数（输出两路PWM）
 * @param VirPwm: 需要操作的虚拟PWM
 */
void VirPwm_SetOutHandler1(uint8_t state)
{
	DIG_OUTPUT_1 = state;
	DIG_OUTPUT_2 = state;
}

/**
 * @brief 注册为实现端口输出SetOut的服务函数（输出三路PWM）
 * @param VirPwm: 需要操作的虚拟PWM
 */
void VirPwm_SetOutHandler2(uint8_t state)
{
	DIG_OUTPUT_3 = state;
	DIG_OUTPUT_4 = state;
	DIG_OUTPUT_5 = state;
}

关于PWM结构体变量的定义完成之后，在项目其他位置完成初始设置（示例如下）。如果在声明PWM结构体变量的时候，已经完成了初始化，理论上无需编写下述代码。

	VirPwm_SetStatus(&VirPwmDef1,0);
	VirPwm_Init(&VirPwmDef1, 100, 50, 0);
	
	VirPwm_SetStatus(&VirPwmDef2,0);
	VirPwm_Init(&VirPwmDef2, 100, 50, 0);

在定时器的更新中断服务函数中，调用void VirPwm_TimIRQHandler(VirPwm *VirPwmDef)，并传入相应的PWM结构体变量指针。

void TIM4_IRQHandler(void)
{
	if(TIM_GetITStatus(TIM4,TIM_IT_Update)!=RESET)
	{
		VirPwm_TimIRQHandler(&VirPwmDef1);
		VirPwm_TimIRQHandler(&VirPwmDef2);
		
		TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_FLAG_Update);
		TIM_ClearITPendingBit(TIM4,TIM_IT_Update);
	}
}

在需要开启或关闭PWM的时候，如果每个定时器只驱动了一个虚拟PWM，可以通过如下方式控制：

VirPwm_SetStatus(&VirPwmDef1,1);
VirPwm_SetStatus(&VirPwmDef2,0);

如果定时器驱动了不止一个虚拟PWM，则不能使用上述函数分别开启或关闭PWM。因为上述函数是通过打开、关闭定时器的方式，会将该定时器驱动的全部PWM打开、关闭。如果需要单独关闭某个虚拟PWM，可以通过设置占空比为0的方式关闭该PWM。

VirPwm_SetDutyCycle(&VirPwmDef1, 0);

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