STMSF3通过WM波实现三基色呼吸灯.docx

1、STMSF3通过WM波实现三基色呼吸灯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

2、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

3、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。2 PWM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D

4、SP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（Duty Cycle or Duty Ratio）首先我们需要了解占空比，

5、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1s，信号周期4s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

6、多驱动芯片的规格书里会说明的。2.3 PWM调光2.3.1 PWM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

7、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 =

8、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

9、、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

10、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

11、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AF

12、R1使用复用功能就是设置AFR（Alternate function remapping bits，候补功能映射位）我们继续看芯片资料其中OPT2【选项字节(Option byte)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：cppview plaincopy1. /*2. *Function:FLASH_Init3. *Calls:void4. *Called

13、By:All_Config.c5. *Input:void6. *OUTPUT:void7. *Return:void8. *DESCRIPTION:1.设置管脚复用功能（AFR0要设置为1AFR1要设置为1）9. 2.eeprom每一次只能操作一个字节10. *Others:nothing11. */12. volatileunsignedcharflash_OPT20x4803;13. volatileunsignedcharflash_NOPT20x4804;14. #defineFLASH_EOP0X04/FLASH_IAPSR中位，编程是否结束15. #defineFLASH_DUL

14、0X08/flashdataeeprom是否解锁标志位16. voidFLASH_Init()17. 18. /第一步初始化EEPROM19. 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=128. FLASH-NCR2&=0X7F;/NOPT=029. 30. /第三步修改内存31. /*32.

15、1.修改参数，启用复用功能33. 2.OPT2和NOPT2要相反34. */35. /修改OPT236. flash_OPT2=0X03;/0000001137. _asm(NOP);38. while(FLASH-IAPSR&FLASH_EOP)=0);/等待操作完成39. /修改NOPT240. 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=146. FL

16、ASH-NCR2|=0X80;/NOPT=047. 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

17、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17.5.7 PWM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

18、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_CCRiTIM1_CNT或者TIM1_CNTTIM1_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

19、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。3.2.7 TIM2产生PWM波的初始化程序具体代码如下：cppview plaincopy1. /*2. *Function:TIM2_InitPwmCtrl3. *Call

20、s:void4. *CalledBy:All_Config.c5. *Input:void6. *OUTPUT:void7. *Return:void8. *DESCRIPTION:1.初始化与PWM相关的TIM29. 2.TIMx_CCER1控制比较/捕获寄存器1和10. 比较/捕获寄存器211. 3.TIMx_CCER1控制比较/捕获寄存器312. *Others:nothing13. */14. voidTIM2_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

21、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1215,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;/0110100028. 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

22、次耗时2us，0到255经过255个2us35. 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

23、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158. TIM2-CCER1|=TIM2_CCER1_CC2E;/使能捕获/比较寄存器259. TIM2-CCER2|=TIM2_CCER2_CC3E;/使能捕获/比较寄存器360. 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

24、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

25、志位gEnableChangeLED具体代码如下：cppview plaincopy1. /*2. *Function:SetCurLightShow3. *Calls:void4. *CalledBy:void5. *Input:u8Value_LED_Red接收到的Red的亮度值6. u8Value_LED_Green接收到的Green的亮度值7. u8Value_LED_Blue接收到的Blue的亮度值8. u8Value_ChangeOnce上升/下降一次的程度9. u8HoldTime_Min在最低亮度保持的时间10. u8HoldTime_Max在最高亮度保持的时间11. *OUTPUT:void12. *Return:void13. *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16. *Others:nothing17.