【兆易创新GD32VF103R-START开发板试用体验】呼吸灯

开发板

开发环境：

IDE：MounRiver Studio

开发板：GD32VF103R-START

MCU：GD32VF103RB

1、呼吸灯的工作原理

呼吸灯，就是指灯光设备的亮度随着时间由暗到亮逐渐增强，再由亮到暗逐渐衰减，很有节奏感地一起一伏，就像是在呼吸一样，因而被广泛应用于手机、电脑等电子设备的指示灯中。

要使用数字器件控制灯光的强弱，我们很自然就想到 PWM(脉冲宽度调制)技术。假如以LED 作为灯光设备，且由控制器输出的 PWM 信号可以直接驱动 LED，PWM 信号中的低电平可点亮 LED 灯。当 LED 以较高的频率进行开关(亮灭)切换时，由于视觉暂留效应，人眼是看不到 LED 灯的闪烁现象的，反映到人眼中能感觉到的是亮度的差别。即以一定的时间长度为周期，LED 灯亮的平均时间越长，亮度就越高，反之越暗。因此，我们可以使用高频率的 PWM 信号，通过调制信号的占空比，控制 LED 灯的亮度。

2、呼吸灯实现
2.1简单方式

笔者先用最简单的方式来实现，也就是定时改变比较寄存器的值。

1.初始化 GPIO

下面分析具体的定时器配置代码。本实验使用 PA7 作为定时器 PWM 输出通道，先对它进行初始化。作 PWM 输出通道的引脚需要被配置为复用推挽输出模式。

/*
brief configure PWM GPIO
param[in] none
param[out] none
retval none
*/
static void timer_gpio_init(void)
{
/* enable the GPIOA clock */
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
/* Configure PA7(TIMER2_CH1) as alternatefunction */
gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP,GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_7);
}

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2.配置定时器模式

在timer2_init()函数中，完成了呼吸灯所需要的定时器 PWM 输出模式配置。

/*
brief configure the TIMER peripheral
param[in] none
param[out] none
retval none
*/
void timer2_init(void)
{
timer_oc_parameter_struct timer_ocintpara;
timer_parameter_struct timer_initpara;
rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);
timer_deinit(TIMER2);
timer_gpio_init();
/* TIMER2 configuration */
timer_initpara.prescaler = 107;
timer_initpara.alignedmode = TIMER_COUNTER_EDGE;
timer_initpara.counterdirection = TIMER_COUNTER_UP;
timer_initpara.period = 500;
timer_initpara.clockdivision = TIMER_CKDIV_DIV1;
timer_initpara.repetitioncounter = 0;
timer_init(TIMER2,&timer_initpara);
/*CH1 configuration in PWM mode */
timer_ocintpara.outputstate = TIMER_CCX_ENABLE;
timer_ocintpara.outputnstate =TIMER_CCXN_DISABLE;
timer_ocintpara.ocpolarity = TIMER_OC_POLARITY_HIGH;
timer_ocintpara.ocnpolarity = TIMER_OCN_POLARITY_HIGH;
timer_ocintpara.ocidlestate = TIMER_OC_IDLE_STATE_LOW;
timer_ocintpara.ocnidlestate =TIMER_OCN_IDLE_STATE_LOW;
timer_channel_output_config(TIMER2,TIMER_CH_1, &timer_ocintpara);
timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_1, 250);
timer_channel_output_mode_config(TIMER2,TIMER_CH_1, TIMER_OC_MODE_PWM0);
timer_channel_output_shadow_config(TIMER2,TIMER_CH_1, TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);
timer_primary_output_config(TIMER2, ENABLE);
/* auto-reload preload enable */
timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER2);
timer_enable(TIMER2);
}

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这个定时器的模式配置主要分为三个部分，分别为时基初始化，输出模式初始化。

Ø 时基初始化

代码中前面的部分是定时器的时基初始化，这部分主要负责配置定时器的定时周期、时钟频率、计数方式等。它使用到库函数timer_init()函数，利用结构体timer_parameter_struct进行配置，该结构体有以下成员：

1) period

定时周期，实质是存储到重载寄存器CAR的数值，脉冲计数器从 0 累加到这个值上溢或从这个值自减至 0 下溢。这个数值加 1 然后乘以时钟源周期就是实际定时周期。

本实验中向该成员赋值为 255，即定时周期为(255+1)* T ，T 为定时器的时钟周期。

2) prescaler

对定时器时钟CLK 的预分频值，分频后作为脉冲计数器TIMERx_CNT的驱动时钟，得到脉冲计数器的时钟频率为：CNT=CLK/(N+1)，其中 N 为即为赋给本成员的时钟分频值。

本实验给 prescaler 成员赋值为 107，即对时钟108分频，所以定时器的时钟周期 T 为 108/108000000。

3) clockdivision

时钟分频因子。怎么又出现一个配置时钟分频的呢？要注意这个clockdivision和上面的 prescaler 是不一样的。prescaler 预分频配置是对CLK进行分频，分频后的时钟被输出到脉冲计数器CNT。

本实验中是使用内部时钟CLK 作为定时器时钟源的，没有进行滤波所以配置clockdivision为任何数值都没有影响。

4) alignedmode

本成员配置的为脉冲计数器 CNT 的计数模式，分别为向上计数，向下计数，及中央对齐模式。向上计数即 CNT 从 0 向上累加到 period 中的值，（重载寄存器 CAR 的值），产生上溢事件；向下计数则 CNT 从period 的值累减至0，产生下溢事件。而中央对齐模式则为向上、向下计数的合体，CNT 从 0 累加到period 的值减 1 时，产生一个上溢事件，然后向下计数到 1 时，产生一个计数器下溢事件，再从 0 开始重新计数。

Ø 输出模式配置

在本函数代码的后面是关于定时器的输出模式配置的。通用定时器的输出模式由 timer_oc_parameter_struct类型结构体的主要有以下几个成员：

1) outputstate

配置输出模式的状态使能或关闭输出。

2) outputnstate

本成员的参数值即为比较寄存器 CH1CV的数值，当脉冲计数器CNT与CH0CV的比较结果发生变化时，输出脉冲将发生跳变。

3) ocpolarity

有效电平的极性，把 PWM 模式中的有效电平设置为高电平或低电平。

本实验中向该成员赋值为 TIMER_OC_POLARITY_LOW(有效电平为低电平)，因为在上面把输出模式配置为 PWM0 模式，向上计数，所以在 CNT< CH0CV时，通道 n 输出为低电平，否则为高电平。

4) ocnpolarity

用于比较有效电平的极性。

本实验中就是通过不断改变比较寄存器CH1CV的值，达到控制 PWM 信号的占空比呈指数曲线变化的目的。在本函数代码中，我们对该成员赋予初始为 0，而改变比较寄存器 CH0CV 值的操作是在中断服务函数中修改的。填充完输出模式初始化结构体后，调用输出模式初始化函数 timer_channel_output_config()对通道进行初始化。

以上是最基本的PWM输出调制实现呼吸灯。

笔者接下来还要讲解一下重映射的输出配置。在这里讲解的是通过重映射 TIMER2_CH2到 PB0 上，由 TIMER2_CH1输出 PWM 来控制LED的亮度。下面我们介绍通过库函数来配置该功能的步骤。

1）开启 TIMER2时钟以及复用功能时钟，配置 PA7为复用输出。

要使用 TIMER2，我们必须先开启 TIMER2的时钟，这点相信大家看了这么多代码，应该明白了。这里我们还要配置 PA7为复用输出，此时，PA7属于复用功能输出。

rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);

其余的和前面的配置一样，就不再列出了。

2）初始化 TIMER2,设置 TIMER2的 CAR 和 PSC。

3）设置 TIMER2_CH1的 PWM 模式，使能 TIMER2的 CH1输出。

4）使能 TIMER2。

在完成以上设置了之后，我们需要使能 TIMER2。使能 TIMER2的方法前面已经讲解过：

timer_enable(TIMER2);

5）修改 TIMER2_ CH1CV来控制占空比。

最后，在经过以上设置之后， PWM 其实已经开始输出了，只是其占空比和频率都是固定的，而我们通过修改 TIMER2_CH1CV则可以控制 CH1的输出占空比。继而控制LED的亮度。在库函数中，修改 TIMER2_CH1CV占空比的函数是：

void timer_channel_output_pulse_value_config(uint32_ttimer_periph, uint16_t channel, uint32_t pulse)

通过以上5个步骤，我们就可以控制 TIMER2的 CH2 输出 PWM 波了。

接下来看看主函数的代码：

/*Includes*********************************************************************/
#include "gd32vf103.h"
#include"gd32vf103r_led_start.h"
#include"gd32vf103r_systick_start.h"
#include"gd32vf103r_timx_start.h"
/*!
brief main function
param[in] none
param[out] none
retval none
*/
int main(void)
{
int16_t i = 0;
FlagStatus breathe_flag = SET;
/* configure the TIMER peripheral */
timer2_init();
while(1)
{
/* delay a time in milliseconds */
delay_ms(40);
if(SET == breathe_flag)
{
i = i + 10;
}
else
{
i = i - 10;
}
if(500 < i)
{
breathe_flag = RESET;
}
if(0 >= i)
{
breathe_flag = SET;
}
/* configure TIMER channel output pulsevalue */
//timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_1, i);
TIMER_CH1CV(TIMER2) = i;
}
}

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代码很简单，就是不断改变CH1CV的值从而控制 CH1的输出占空比。

2.2 中断方式

1.生成指数曲线 PWM 数据

要实现 LED 亮度随着指数曲线变化，我们需要使用占空比呈指数曲线变化的 PWM 信号，而这样的信号由定时器经过查表产生。这个表的数据存储在程序中的数组 indexWave中。

uint8_tindexWave[] = {1,1,2,2,3,4,6,8,10,14,19,25,33,44,59,80,

107,143,191,255,255,191,143,107,80,59,44,33,25,19,14,10,8,6,4,3,2,2,1,1};

这个表有 40 个数字，从图中可以看到这些数字呈指数上升再衰减，正好是呼吸灯的一个控制周期。数字的大小范围是 0~255，即把 LED 的亮度分为了 0~255 个等级。

假如我们把定时器的脉冲计数器 CNT 上限设置为 255，把这个表的数据一个一个地赋值到定时器的比较寄存器CH2CV中，那么在每个 PWM 周期中，当 CNT的计数值小于比较寄存器 CH2CV的值时，就会在通道中输出低电平，点亮 LED，而随着 CCR 的值由 LED 亮度表得来，所以 LED 点亮的时间就会呈图中的曲线变化，实现呼吸灯的功能。

2.初始化 GPIO

这部分和前面的一样，没啥好说的。

3.配置定时器模式

这里也差不多，只是将分频系数设置的稍微大些，另外开启了中断。