STM32 单片机运行时生成任意频率和占空比 PWM

/*
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 */

#include <float.h>
#include <math.h>

#include "tim.h"
#include "main.h"

// 可以自己修改这些值，来看看效果
// 因为是示例代码，全部都写死在代码里面了
// 如果需要更快的切换参数来看效果，最好写个串口输入之类的

#define TIM_HANDLE htim10
static const uint32_t TIM_CHANNEL = TIM_CHANNEL_1;
static const float TARGET_FREQUENCY = 0.1f;
static const float TARGET_DUTY_CYCLE = 0.5f;

// 用于返回计算结果的结构体，
// 前三个字段存储了计算出来的定时器配置，
// 后三个用于存储使用这些参数配置的定时器，与目标频率和占空比的误差，可以忽略的
struct TimConfig {
    uint16_t Prescaler;
    uint16_t Period;
    uint16_t Pulse;
    float ActualFrequency;
    float ActualDutyCycle;
    float FrequencyErrorFraction;
    float DutyCycleErrorFraction;
};

/**
 * 根据给定定时器时钟源频率、目标频率和目标占空比，计算定时器配置使其输出的 PWM 参数与目标参数接近。
 * @param config 储存计算结果结构体的指针
 * @param timerBaseFreq 定时器时钟源频率
 * @param targetFrequency 目标 PWM 频率
 * @param targetDutyCycle 目标 PWM 占空比
 * @param errorFreqWeight 频率误差占比，数值越大，计算式更考虑减少频率的误差，设置为 0 则不考虑频率误差
 * @param errorDutyWeight 占空比误差占比，数值越大，计算式更考虑减少占空比的误差，设置为 0 则不考虑占空比误差
 * @return 1 为输入的参数不合法，0 为无错误
 */
static int SetupConfig(struct TimConfig *config, const float timerBaseFreq, const float targetFrequency,
                       const float targetDutyCycle, const float errorFreqWeight, const float errorDutyWeight) {
    // 检查输入参数是否合法
    if (targetDutyCycle <= 0 || targetDutyCycle >= 1 || targetFreq <= 0 || timerBaseFreq < targetFreq) {
        return 1;
    }

    // 基础频率与目标频率的比值
    const float ratio = timerBaseFreq / targetFreq;
    float minError = FLT_MAX;

    // 预分频器值
    uint16_t prescaler;
    // 以周期遍历
    for (uint32_t period = 0; period <= 0xFFFF; ++period) {
        // 周期的浮点数
        const float periodF = (float)period;

        // 预分频器值的浮点数，通过频率的比值算出来
        const float prescalerF = ratio / ((float)period + 1) - 1;

        // 处理预分频器浮点数超出范围的情况
        if (prescalerF < 0) prescaler = 0;
        else if (prescalerF > 0xFFFF) prescaler = 0xFFFF;
        else prescaler = (uint16_t)roundf(prescalerF);

        // 可以根据占空比算出 pulse 的值
        const uint16_t pulse = (uint16_t)roundf(periodF * (1 - targetDutyCycle));

        // 下面就是计算误差了，将频率或占空比与目标相差的比值加起来，
        // 然后再看看是不是历史最低误差，如果是，就将现在的参数写进结构体

        const float actualFreq = timerBaseFreq / (periodF + 1) / ((float)prescaler + 1);
        const float actualDuty = period == 0 ? 1 : (float)(period - pulse + 1) / (periodF + 1);
        const float freqErrorFraction = (actualFreq - targetFrequency) / targetFrequency;
        const float dutyErrorFraction = (actualDuty - targetDutyCycle) / targetDutyCycle;
        const float errorSum = fabsf(freqErrorFraction * errorFreqWeight) + fabsf(dutyErrorFraction * errorDutyWeight);

        if (errorSum >= minError) continue;

        minError = errorSum;
        config->Prescaler = prescaler;
        config->Period = period;
        config->Pulse = pulse;
        config->ActualFrequency = actualFreq;
        config->ActualDutyCycle = actualDuty;
        config->FrequencyErrorFraction = freqErrorFraction;
        config->DutyCycleErrorFraction = dutyErrorFraction;
    }

    return 0;
}

void App() {
    struct TimConfig config;
    // 这里偷懒，实际上好像并不是每个芯片的每个定时器频率都和 HCLK 相等的
    const float timerBaseFreq = (float)HAL_RCC_GetHCLKFreq();

    if (SetupConfig(&config, timerBaseFreq, TARGET_FREQUENCY, TARGET_DUTY_CYCLE, 1.0f, 1.0f) != 0) return;

    // 根据计算出来的结果设置定时器的参数
    __HAL_TIM_SET_PRESCALER(&TIM_HANDLE, config.Prescaler);
    __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&TIM_HANDLE, config.Period);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&TIM_HANDLE, TIM_CHANNEL, config.Pulse);
    HAL_TIM_PWM_Start(&TIM_HANDLE, TIM_CHANNEL);
}