《基于构件化的嵌入式系统设计》 课件 项目5、6 利用Timer实现PWM和输入捕获功能；利用ADC设计简易数字电压表

嵌入式系统设计

为了实现嵌入式系统设计的可移植和可复用，嵌入式硬件和嵌入式软件均采用构件化的设计思想，即对嵌入式硬件和嵌入式软件进行封装，供系统设计者调用，并倡导嵌入式软件分层设计的理念，以大幅度降低嵌入式技术学习难度和开发难度。

本书特色：项目任务驱动，突出学以致用，注重实践创新。每个项目且均采用了“通用知识”→“嵌入式构件设计”→“应用层程序设计”→“学以致用与创新”的学习流程。采用“搭积木”的思想，逐步提高嵌入式系统设计能力。

本书可作为高等学校电子信息类、计算机类、自动化类等专业的嵌入式系统设计教材，也可作为嵌入式技术培训教材，还可供从事嵌入式技术开发的工程技术人员参考。项目1：GPIO基础应用—实现闪灯和开关状态检测与控制功能项目2：利用定时中断实现频闪灯项目3：GPIO和定时器的综合应用—实现数码管显示、键盘测控、测温功能项目4：利用UART实现上位机和下位机的通信项目5：利用Timer实现PWM和输入捕获功能项目6：利用

ADC

设计简易数字电压表项目7：利用

SPI

实现多机串行通信项目8：利用

CAN

实现多机通信教

材

内

容

项目5利用Timer实现PWM和输入捕获功能【项目导读】

在项目2中已学习STM32F103C8T6中的16位定时器（Timer）的基本定时功能。在本项目中学习利用Timer实现PWM功能和输入捕获功能。

脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）信号是一个高电平和低电平重复交替的输出信号，PWM广泛应用于电机转速控制、灯光亮度控制等领域。输入捕获（InputCapture）可用于测量脉冲信号的周期和脉宽。【学习目标】1）理解PWM的通用知识，包括PWM的相关概念、技术指标及应用场合。2）理解输入捕获的通用知识，包括输入捕获的过程、原理及应用场合。3）熟悉MCU的Timer通道引脚，掌握MCU的PWM和输入捕获底层驱动构件的使用方法，能利用其底层驱动构件头文件进行PWM功能和输入捕获功能的应用层程序设计，能利用PWM控制小灯的亮度、利用输入捕获测量脉冲信号的周期和脉宽。*4）熟悉MCU的PWM和输入捕获底层驱动构件源文件的设计方法。项目5利用Timer实现PWM和输入捕获功能任务5.1理解PWM和输入捕获的通用知识5.1.1PWM的通用知识1、

PWM的基本概念与技术指标

PWM信号是一个高电平和低电平重复交替的输出信号。

目前经常使用的PWM信号主要是通过MCU编程实现的。利用MCU输出PWM信号时，需要一个产生PWM信号的时钟源，设其周期为TCLK。任务5.1理解PWM和输入捕获的通用知识5.1.1PWM的通用知识1、

PWM的基本概念与技术指标（1）周期：持续的时钟周期个数。

TPWM=8

TCLK

图（a）：2

TCLK

图（b）：4

TCLK

图（c）：6

TCLK（3）占空比：脉宽/周期，百分比

（2）脉宽：一个PWM周期内PWM信号

处于高电平的时间。

图（a）：25%

图（b）：50%

图（c）：75%任务5.1理解PWM和输入捕获的通用知识5.1.1PWM的通用知识1、

PWM的基本概念与技术指标（4）极性：决定了PWM信号的有效电平

正极性：PWM信号的有效电平为高电平，平时电平（空闲电平）为低电平；

负极性：PWM信号的有效电平为低电平，平时电平（空闲电平）为高电平。（5）分辨率△T

：PWM脉宽的最小时间增量，等于计数时钟周期。

脉冲宽度的增加与减少只能是△T的整数倍。

任务5.1理解PWM和输入捕获的通用知识5.1.1PWM的通用知识1、

PWM的基本概念与技术指标（6）对齐方式——边沿对齐

向上单向计数初值

IN=0模值

MOD=7通道值CnV=4PWM周期=(MOD－IN+1)×TCLKPWM脉宽=(CnV－IN)×TCLK任务5.1理解PWM和输入捕获的通用知识5.1.1PWM的通用知识1、

PWM的基本概念与技术指标（6）对齐方式——中心对齐

向上/向下双向计数初值

IN=0模值

MOD=4通道值CnV=2PWM周期=2×(MOD－IN)×TCLKPWM脉宽=2×(CnV－IN)×TCLK任务5.1理解PWM和输入捕获的通用知识5.1.1PWM的通用知识2、

PWM的应用场合

（1）利用PWM为其他设备产生类似于时钟的信号。例如，PWM可用来控制灯以一定的频率闪烁。

（2）利用PWM控制输入到某个设备的平均电流或电压。例如，PWM可用来控制直流电动机转速。

（3）利用PWM控制命令字编码。例如，用不同的脉宽代表不同的命令，控制无线遥控车做不同的动作（左转、右转、前进等）。任务5.1理解PWM和输入捕获的通用知识

【知识巩固】

（1）PWM涉及哪些基本概念和技术指标？

（2）PWM有哪些主要用途？5.1.1PWM的通用知识5.1.2输入捕获的通用知识任务5.1理解PWM和输入捕获的通用知识

MCU的定时/计数器的通道引脚在捕获到外部脉冲信号的沿跳变（上升沿或下降沿）时，会将计数器的当前值锁存到对应的通道值寄存器；若允许输入捕获中断（通道中断），则可在中断服务程序中通过读取通道值寄存器的值得到沿跳变对应的时刻。

脉冲信号的周期

=

时刻3－时刻1=时刻4－时刻2

脉冲信号的脉宽

=时刻2－时刻1=时刻4－时刻3

当被测脉冲信号的周期或脉宽小于定时器的溢出周期时：脉冲信号的周期或脉宽=对应的计数次数*计数周期

=对应的计数次数/计数频率【知识巩固】简述利用输入捕获测量脉冲信号的周期和脉宽的基本原理。

任务5.2掌握Timer_PWM_INCAP底层驱动构件使用方法5.2.1MCU的Timer通道引脚

每个Timer的4个通道引脚有不同的组合，具体由复用功能I/O引脚的配置决定，其实现请参阅后续底层驱动构件头文件中的宏定义。5.2.2Timer_PWM_INCAP底层驱动构件的组成及使用方法

Timer_PWM_INCAP底层驱动构件由timer_pwm_incap.h头文件和timer_pwm_incap.c源文件组成，若要使用Timer_PWM_INCAP底层驱动构件，只需将这两个文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底层驱动构件）文件夹中，即可实现对PWM功能和输入捕获功能的操作。见工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，timer_pwm_incap.h头文件主要包括相关头文件的包含、一些必要的宏定义、对外接口函数的声明，而timer_pwm_incap.c源文件则是对外接口函数的具体实现，初学者不必深究。

用户只要熟悉timer_pwm_incap.h头文件的内容，即可使用Timer_PWM_INCAP底层驱动构件进行编程。任务5.2掌握Timer_PWM_INCAP底层驱动构件使用方法【学以致用】

根据

timer_pwm_incap.h头文件，写出实现下列功能的函数调用语句。

（1）初始化TIMER1_CH1通道PWM，正极性、边沿对齐、周期为1000us、占空比为30%。

（2）将TIMER1_CH1通道的PWM输出占空比更新为50%。

（3）初始化TIMER2_CH1通道为输入捕获功能，并采用上升沿捕获。

（4）为TIMER2_CH1通道选择为下降沿捕获方式。

（5）将TIMER2_CH1通道的输入捕获值保存至变量cap_value中。

（6）使能TIMER2_CH1通道中断。5.2.2Timer_PWM_INCAP底层驱动构件的组成及使用方法任务5.2掌握Timer_PWM_INCAP底层驱动构件使用方法任务5.3利用PWM控制小灯的亮度

在嵌入式软件最小系统框架下，设计07_Source（应用层软件构件）的文件，以实现：利用PWM控制与PWM通道引脚相连接的小灯的亮度。1）工程总头文件includes.h：

包含04、05、06文件夹中的头文件2）主程序源文件main.c：

初始化（PWM）在工程文件中分析代码并编程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx【学以致用与创新】

（1）利用PWM实现频闪灯。

（2）利用PWM控制小灯逐渐变亮。任务5.4利用输入捕获测量脉冲信号的周期和脉宽

在嵌入式软件最小系统框架下，设计07_Source（应用层软件构件）的文件，以实现：利用Timer的输入捕获功能（采用通道中断方式）测量PWM信号的周期和脉宽，并通过UART使用printf函数向PC串口调试窗口输出对应的测量信息。1）工程总头文件includes.h：

包含04、05、06文件夹中的头文件2）主程序源文件main.c：

定义全局变量（存放脉冲信号的周期和脉宽对应的计数次数）

在主程序中，初始化（UART、PWM、INCAP）；

使能Timer通道中断；

在主循环中，输出全局变量的值（周期和脉宽对应的计数次数）在工程文件中分析代码并编程：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx3）中断服务程序源文件isr.c：声明全局变量

在Timer通道中断服务程序中，获取通道捕获值，计算并

更新全局变量的值（脉冲信号周期和脉宽对应的计数次数）任务5.4利用输入捕获测量脉冲信号的周期和脉宽【学以致用与创新】

（1）根据脉冲信号的输入捕获原理，画出上述程序的设计和执行流程图，理解上述中断服务程序。

（2）计算并输出脉冲信号的周期和脉宽。

嵌入式系统设计

为了实现嵌入式系统设计的可移植和可复用，嵌入式硬件和嵌入式软件均采用构件化的设计思想，即对嵌入式硬件和嵌入式软件进行封装，供系统设计者调用，并倡导嵌入式软件分层设计的理念，以大幅度降低嵌入式技术学习难度和开发难度。

本书特色：项目任务驱动，突出学以致用，注重实践创新。每个项目且均采用了“通用知识”→“嵌入式构件设计”→“应用层程序设计”→“学以致用与创新”的学习流程。采用“搭积木”的思想，逐步提高嵌入式系统设计能力。

本书可作为高等学校电子信息类、计算机类、自动化类等专业的嵌入式系统设计教材，也可作为嵌入式技术培训教材，还可供从事嵌入式技术开发的工程技术人员参考。项目1：GPIO基础应用—实现闪灯和开关状态检测与控制功能项目2：利用定时中断实现频闪灯项目3：GPIO和定时器的综合应用—实现数码管显示、键盘测控、测温功能项目4：利用UART实现上位机和下位机的通信项目5：利用Timer实现PWM和输入捕获功能项目6：利用ADC设计简易数字电压表项目7：利用

SPI

实现多机串行通信项目8：利用

CAN

实现多机通信教

材

内

容

项目6利用ADC设计简易数字电压表【项目导读】

在嵌入式测控系统中，往往需要通过ADC（AnalogtoDigitalConverter，模/数转换器）将模拟输入量转换为数字量，以供MCU接收和处理。

【学习目标】（1）理解ADC的通用知识，包括ADC的相关概念和最简单的A/D转换采样电路。（2）熟悉MCU的ADC主要特性和引脚，掌握MCU的ADC底层驱动构件的使用方法。（3）掌握简易数字电压表的硬件电路组成和工作原理，以及利用MCU的ADC底层驱动构件头文件进行ADC应用层程序设计的方法。*（4）熟悉MCU的ADC底层驱动构件源文件的设计方法。任务6.1理解ADC的通用知识1、

ADC的相关概念（1）转换精度

设ADC的二进制位数为n，则其分辨率为1/2n。例如，某一ADC是12位，若模拟输入信号的量程为5V，则该ADC可以检测到的模拟量变化最小值（理论上的转换精度）为

5V/212

≈

1.22mV。任务6.1理解ADC的通用知识1、

ADC的相关概念（2）转换速度

完成一次A/D转换所要花费的时间。（3）单端输入与差分输入

单端输入：只有一个输入引脚，使用公共地GND作为参考电平。输入电路简单，但A/D转换值易因受到干扰而变化。

差分输入：两个输入引脚（VIN+、VIN-），ADC的采样值是两个输入引脚的电平差值，从而降低了干扰。任务6.1理解ADC的通用知识1、

ADC的相关概念（4）ADC参考电压

A/D转换需要一个参考电压VREF。在一般要求下，ADC参考电压使用芯片的供电电源电压。在更为精确的要求下，ADC参考电压使用单独电源。（5）软件滤波

为了使采样的数据更准确，必须对采样的数据进行筛选，去掉误差较大的数据（毛刺）。可通过中值滤波或均值滤波实现。（6）物理量回归

在得到稳定的A/D采样值以后，还需要把A/D采样值与实际物理量对应起来。

例如，利用MCU采集室内温度，经A/D转换后的数值是126，实际它代表的温度是多少？光敏电阻或热敏电阻

例如：采样电路任务6.1理解ADC的通用知识2、

MCU的ADC内部结构及编程模型任务6.1理解ADC的通用知识

【知识巩固】

（1）ADC有哪些基本概念？

（2）软件滤波的作用是什么？任务6.2掌握MCU的ADC底层驱动构件使用方法6.2.1MCU的ADC主要特性和引脚

STM32F103C8T6具有两个12位的ADC模块：ADC1和ADC2，均具有10个外部模拟输入通道（通道共用），采用单端输入方式。

供电电压VDDA为2.4~3.6V，芯片内部已将参考电压VREF+连接到VDDA，VREF-连接到VSSA，因此各模拟通道的输入电压范围为0~VDDA。

输入时钟不得超过14MHz。ADC转换时间≥14个ADC时钟周期，微妙级。6.2.2MCU的ADC底层驱动构件的组成及使用方法

ADC底层驱动构件由adc.h头文件和adc.c源文件组成，若要使用ADC底层驱动构件，只需将这两个文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底层驱动构件）文件夹中，即可实现对ADC的操作。见工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\STM32F103\STM32F103.uvprojx

其中，adc.h头文件主要包括相关头文件的包含、一些必要的宏定义、对外接口函数的声明，而adc.c源文件则是对外接口函数的具体实现，初学者不必深究。

用户只要熟悉adc.h头文件的内容，即可使用ADC底层驱动构件进行编程。任务6.2掌握MCU的ADC底层驱动构件使用方法

【学以致用】

根据

adc.h头文件，写出实现下列功能的函数调用语句。

（1）对ADC1模块进行初始化。

（2）获取ADC1通道8的A/D转换值。6.3.1

简易数字电压表的硬件电路组成和工作原理任务6.3简易数字电压表的设计

MCU通过ADC对A端的模拟电压进行A/D转换，根据A/D转换结果可计算出A端对应的电压值：ADCresult

：A/D转换结果对应