開發環境：

MDK：Keil 5.30

開發板：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

1 PWM輸出的工作原理

脈沖寬度調制(PWM) ，是英文“Pulse Width Modulation” 的縮寫，簡稱脈寬調制，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。簡單一點，就是對脈沖寬度的控制。

GD32 的定時器除了 TIMER5 和 6（基本定時器）。其他的定時器都可以用來產生 PWM 輸出。

每個定時器有四個通道，每一個通道都有一個捕獲比較寄存器,，將寄存器值和計數器值比較，通過比較結果輸出高低電平，便可以實現脈沖寬度調制模式（PWM信號）。

在上一節，講解了定時器的相關寄存器即基本原理，本節將不再贅述。下面談談如何使用定時器的寄存器進行PWM輸出的。若配置脈沖計數器TIMERx_CNT為向上計數，而重載寄存器TIMERx_CAR配置為N，即TIMERx_CNT的當前計數值數值X在CK_TIMER時鐘源的驅動下不斷累加，當TIMERx_CNT的數值X大于N時，會重置TIMERx_CNT數值為0重新計數。而在TIMERx_CNT計數的同時，TIMERx_CNT的計數值X會與比較寄存器TIMERx_CHxCV預先存儲了的數值A進行比較，當脈沖計數器TIMERx_CNT的數值X小于比較寄存器TIMERx_CHxCV的值A時，輸出高電平（或低電平），相反地，當脈沖計數器的數值X大于或等于比較寄存器的值A時，輸出低電平（或高電平）。如此循環，得到的輸出脈沖周期就為重載寄存器TIMERx_CAR存儲的數值(N+1)乘以觸發脈沖的時鐘周期，其脈沖寬度則為比較寄存器TIMERx_CHxCV的值A乘以觸發脈沖的時鐘周期，即輸出PWM的占空比為A/(N+1)。

估計很多初學者看了上面的一段話都很蒙圈，沒關系，下面以向上計數模式為例進行講解。

在PWM輸出模式下，除了CNT（計數器當前值）、CAR（自動重裝載值）之外，還多了一個值CHxCV（捕獲/比較寄存器值）。當CNT小于CHxCV時，CHxCV通道輸出低電平；當CNT等于或大于CHxCV時，CHxCV通道輸出高電平。因此得到PWM的一個周期如下：

1.定時器從0開始向上計數；

2.當0-t1段,定時器計數器CNT值小于CHxCV值，輸出低電平；

3.t1-t2段,定時器計數器CNT值大于CHxCV值，輸出高電平；

4.當CNT值達到CAR時,定時器溢出，重新向上計數...循環此過程。

至此一個PWM周期完成。針對PWM重點關注兩個寄存器， CAR寄存器確定PWM頻率，CHxCV寄存器確定占空比 。

上文提到了PWM的輸出模式，下面講解PWM的工作模式：

• PWM模式1(向上計數) :計數器從0計數加到自動重裝載值(CAR)，然后重新從0開始計數，并且產生一個計數器溢出事。
• PWM模式2(向下計數) :計數器從自動重裝載值(CAR)減到0，然后重新從重裝載值(CAR)開始遞減，并且產生一個計數器溢出事件。

這里我們僅利用 TIMER2產生多路 PWM 輸出。如果要產生多路輸出，大家可以根據我們的代碼稍作修改即可。具體不同定時器對應引腳在對應芯片數據手冊的引腳說明(pin description) 中查看。

[ps] 本文以F2系列為例進行講解，GD不同系列其定時器個數不同

2 PWM輸出的寄存器描述

同樣，我們首先通過對 PWM 相關的寄存器進行講解，大家了解了定時器 TIMER2的 PWM原理之后，我們再講解怎么使用庫函數產生 PWM 輸出。

要使 GD32 的通用定時器 TIMERx 產生 PWM 輸出，除了上一章介紹的寄存器外，我們還會用到 3 個寄存器，來控制 PWM 的。這三個寄存器分別是：通道控制寄存器(TIMERx_CHCTL0/1)、通道控制寄存器(TIMERx_CHCTL2)、捕獲/比較寄存器(TIMERx_CHxCV)。接下來我們簡單介紹一下這三個寄存器。

首先是通道控制寄存器(TIMERx_CHCTL0/1)，該寄存器總共有2個，TIMERx_CHCTL0和TIMERx_CHCTL1。TIMERx_CHCTL0控制 CH1 和 2，而TIMERx_CHCTL1 控制 CH3 和 4。該寄存器的各位描述如下圖。

該寄存器的有些位在不同模式下，功能不一樣，所以在上圖中，我們把寄存器分了2層，上面一層對應輸出而下面的則對應輸入。關于該寄存器的詳細說明，請參考《GD32F20x User Manual》。這里我們需要說明的是模式設置位CH0COMCTL，此部分由 3 位組成。總共可以配置成 7 種模式，我們使用的是 PWM 模式，所以這 3 位必須設置為 110/111。這兩種PWM 模式的區別就是輸出電平的極性相反。

接下來，我們介紹通道控制寄存器(TIMERx_CHCTL2)，該寄存器控制著各個輸入輸出通道的開關。該寄存器的各位描述如下圖。

該寄存器比較簡單， 我們這里只用到了CHxEN位，該位是輸入/捕獲 2 輸出使能位，要想PWM 從 IO 口輸出，這個位必須設置為 1，所以我們需要設置該位為 1。

最后，我們介紹一下捕獲/比較寄存器(TIMERx_CHxCV)，該寄存器總共有 4 個，對應 4 個輸通道 CH0~3。因為這 4 個寄存器都差不多，我們僅以TIMERx_CH0CV為例介紹，該寄存器的各位描述如下圖。

在輸出模式下，該寄存器的值與 CNT 的值比較，根據比較結果產生相應動作。利用這點，我們通過修改這個寄存器的值，就可以控制 PWM 的輸出脈寬了。

假如我們要利用 TIMER2的 CH1 輸出 PWM 來控制 DS0 的亮度，但是 TIMER2_CH1默認是接在 PA7上面的，這就可以通過重映射功能，把 TIMER2_CH1映射到 PB5 上。

GD32 的重映射控制是由復用重映射和調試 IO 配置寄存器控制的，該寄存器的各位描述如上圖。我們這里用到的是 TIMER2的重映射，從上圖可以看出，TIMER2_REMAP 是由[11:10]這 2 個位控制的。TIMER2_REMAP[1:0]重映射控制表如下表。

默認條件下，TIMER2_REMAP[1:0]為 00，是沒有重映射的，所以 TIMER2_CH0~TIMER2_CH3 分別是接在 PA6、 PA7、 PB0 和 PB1 上的，而我們想讓 TIMER2_CH1 映射到 PB5 上， 則需要設置TIMER2_REMAP[1:0]=10，即部分重映射，這里需要注意，此時TIMER2_CH0 也被映射到 PB4 上了。

TIMER定時器的四路通道CHx_O輸出PWM。

3 PWM輸出實現

3.1 PWM代碼分析

本章要實現通過TIMER2實現四路方波的輸出，以TIMER2_CH0 輸出 PWM 為例進行講解。下面我們介紹通過庫函數來配置該功能的步驟。

首先要提到的是，PWM 相關的函數設置在庫函數文件gd32f20x_timer.h和gd32f20x_timer.c文件中。

1） 開啟 TIMER2 時鐘以及GPIO的時鐘，配置 PA6為復用輸出。

要使用 TIMER2，我們必須先開啟 TIMER2的時鐘，這點相信大家看了這么多代碼，應該明白了。庫函數使能 TIMER2及PA6時鐘的方法是：

/* enable the GPIOA clock */
rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
//Enable TIMER2 clock
rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);

庫函數設置 AFIO 時鐘的方法是：

/* 開啟復用功能時鐘 */
rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);

2） 初始化 TIMER2,設置 TIMER2的 CAR 和 PSC。

在開啟了 TIMER2 的時鐘之后，我們要設置 CAR 和 PSC 兩個寄存器的值來控制輸出 PWM 的周期。這在庫函數是通過timer_init()函數實現的，在上一節定時器中斷章節我們已經有講解，這里就不詳細講解，調用的格式為：

/* TIMER2 configuration */
timer_init_struct.prescaler         = 0;
timer_init_struct.alignedmode       = TIMER_COUNTER_EDGE;
timer_init_struct.counterdirection  = TIMER_COUNTER_UP;
timer_init_struct.period            = 999;
timer_init_struct.clockdivision     = TIMER_CKDIV_DIV1;
timer_init_struct.repetitioncounter = 0;
timer_init(TIMER2, &timer_init_struct);

3） 設置 TIMER2_CH0的 PWM 模式，使能 TIMER2的 CH0輸出。

接下來，我們要設置 TIMER2_CH0為 PWM 模式（默認是凍結的），在庫函數中，PWM通道設置是通過函數 timer_channel_output_config()來設置的，我們直接來看看結構體 timer_oc_parameter_struct的定義：

/* channel output parameter structure definitions */
typedef struct {
    uint16_t outputstate;                       /*!< channel output state */
    uint16_t outputnstate;                      /*!< channel complementary output state */
    uint16_t ocpolarity;                        /*!< channel output polarity */
    uint16_t ocnpolarity;                       /*!< channel complementary output polarity */
    uint16_t ocidlestate;                       /*!< idle state of channel output */
    uint16_t ocnidlestate;                      /*!< idle state of channel complementary output */
} timer_oc_parameter_struct;

該結構體主要配置通道的狀態，極性等，還需要設置占空比等配置，不同的通道需要分別設置。

/* PWM Mode configuration: Channel0 */
timer_channel_output_config(TIMER2, TIMER_CH_0, &timer_oc_init_struct);

/* 通道2占空比設置 */
timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_0, CH0CV_Val);
/* PWM模式0 */
timer_channel_output_mode_config(TIMER2,TIMER_CH_0,TIMER_OC_MODE_PWM0);
/* 不使用輸出比較影子寄存器 */
timer_channel_output_shadow_config(TIMER2,TIMER_CH_0,TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);

4） 使能 TIM3。

我們需要使能 TIMER2。使能 TIMER2的方法前面已經講解過：

timer_enable(TIMER2);

最后看下主函數代碼：

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)
{
    //systick init
    sysTick_init();

    /* configure the TIMER peripheral */
    pwm_init ();

    while(1) 
    {
     
    }
}

是不是很簡單，這里進行了PWM初始化，最核心的就是timer2_init()函數，其代碼如下：

/*
    brief      configure the TIMER peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
  */
void pwm_init(void)
{
    /* TIMER2 configuration: generate PWM signals with different duty cycles*/
    /* 定義一個定時器初始化結構體 */
    timer_parameter_struct timer_init_struct;
    /* 定義一個定時器輸出比較參數結構體*/
    timer_oc_parameter_struct timer_oc_init_struct;

    /* PWM信號電平跳變值 */
    uint16_t CH0CV_Val = 500;
    uint16_t CH1CV_Val = 375;
    uint16_t CH2CV_Val = 250;
    uint16_t CH3CV_Val = 125;

    /* ----------------------------------------------------------------------- 
    TIMER2 Channel0 duty cycle = (TIMER2_CH0CV/ TIMER2_CAR+1)* 100% = 50%
    TIMER2 Channel1 duty cycle = (TIMER2_CH1CV/ TIMER2_CAR+1)* 100% = 37.5%
    TIMER2 Channel2 duty cycle = (TIMER2_CH2CV/ TIMER2_CAR+1)* 100% = 25%
    TIMER2 Channel3 duty cycle = (TIMER2_CH3CV/ TIMER2_CAR+1)* 100% = 12.5%
    ----------------------------------------------------------------------- */
    // gpio init
    timer_gpio_init();

    //Enable TIMER2 clock
    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);
    /* 開啟復用功能時鐘 */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);

    timer_deinit(TIMER2);

    /* TIMER2 configuration */
    timer_init_struct.prescaler         = 0;
    timer_init_struct.alignedmode       = TIMER_COUNTER_EDGE;
    timer_init_struct.counterdirection  = TIMER_COUNTER_UP;
    timer_init_struct.period            = 999;
    timer_init_struct.clockdivision     = TIMER_CKDIV_DIV1;
    timer_init_struct.repetitioncounter = 0;
    timer_init(TIMER2, &timer_init_struct);

    /* PWM初始化 */
    timer_oc_init_struct.outputstate  = TIMER_CCX_ENABLE;		/* 通道使能 */
    timer_oc_init_struct.outputnstate = TIMER_CCXN_DISABLE;		/* 通道互補輸出使能（定時器2無效） */
    timer_oc_init_struct.ocpolarity   = TIMER_OC_POLARITY_HIGH;	/* 通道極性 */
    timer_oc_init_struct.ocnpolarity  = TIMER_OCN_POLARITY_HIGH;/* 互補通道極性（定時器2無效）*/
    timer_oc_init_struct.ocidlestate  = TIMER_OC_IDLE_STATE_LOW;/* 通道空閑狀態輸出（定時器2無效）*/
    timer_oc_init_struct.ocnidlestate = TIMER_OCN_IDLE_STATE_LOW;/*互補通道空閑狀態輸出（定時器2無效） */

    /* PWM Mode configuration: Channel0 */
    timer_channel_output_config(TIMER2, TIMER_CH_0, &timer_oc_init_struct);

    /* 通道2占空比設置 */
    timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_0, CH0CV_Val);
    /* PWM模式0 */
    timer_channel_output_mode_config(TIMER2,TIMER_CH_0,TIMER_OC_MODE_PWM0);
    /* 不使用輸出比較影子寄存器 */
    timer_channel_output_shadow_config(TIMER2,TIMER_CH_0,TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);	

    /* PWM Mode configuration: Channel1 */
    timer_channel_output_config(TIMER2, TIMER_CH_1, &timer_oc_init_struct);

    /* 通道2占空比設置 */
    timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_1, CH1CV_Val);
    /* PWM模式0 */
    timer_channel_output_mode_config(TIMER2,TIMER_CH_1,TIMER_OC_MODE_PWM0);
    /* 不使用輸出比較影子寄存器 */
    timer_channel_output_shadow_config(TIMER2,TIMER_CH_1,TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);	

    /* PWM Mode configuration: Channel2 */
    timer_channel_output_config(TIMER2, TIMER_CH_2, &timer_oc_init_struct);

    /* 通道2占空比設置 */
    timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_2, CH2CV_Val);
    /* PWM模式0 */
    timer_channel_output_mode_config(TIMER2,TIMER_CH_2,TIMER_OC_MODE_PWM0);
    /* 不使用輸出比較影子寄存器 */
    timer_channel_output_shadow_config(TIMER2,TIMER_CH_2,TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);	

    /* PWM Mode configuration: Channel3 */
    timer_channel_output_config(TIMER2, TIMER_CH_3, &timer_oc_init_struct);

    /* 通道2占空比設置 */
    timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_3, CH3CV_Val);
    /* PWM模式0 */
    timer_channel_output_mode_config(TIMER2,TIMER_CH_3,TIMER_OC_MODE_PWM0);
    /* 不使用輸出比較影子寄存器 */
    timer_channel_output_shadow_config(TIMER2,TIMER_CH_3,TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);	

    /* 自動重裝載影子比較器使能 */
    timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER2);	

    /* TIMER2 enable */
    timer_enable(TIMER2);
}

3.2 PWM周期、占空比分析

根據前面的參數配置，我們可以算出PWM的輸出周期：

PWM=1/(Tclk/(psc+1))*(arr+1)

這里我們 arr=999 psc=0 Tclk=120Mhz ，

PWM=1/(120Mhz/(1))*(999+1)=1/120ms

因此PWM的輸出頻率120KHz，周期是8.3us。

PWM的占空比為：

Dutycycle=(CHxCV/CAR+1)* 100%

PWM自動重裝值為999，四個通道的跳變值分別為500，375，250，125。因此，TIMER2的四個通道的占空比分別為50%，37.5%，25%，12.5%。

4 PWM輸出的實驗現象

在前面我們輸出了TIMER2的通道0(PA6)、1(PA7)、2(PB0)、3(PB1)不同占空比的 PWM 信號。接下來就看看PWM的輸出，PWM 信號可以通過示波器看到，下面筆者就是用邏輯分析儀查看波形。

首先筆者使用的邏輯分析儀是Kingst LA5016，當然啦，其他的也可以，關于邏輯分析儀的相關使用筆者這里就不介紹了，可以查看官方資料。

首先將通道 0(PA6)、1(PA7)、2(PB0)、3(PB1)分別接到邏輯分析儀的CH0 – CH3，然后下載程序到板子中，打開Kingst VIS，然后進行采樣。

我們就可以看到不同通道的實際周期，占空比等信息。

從上圖可以看到，實際測量的頻率和占空比和理論是相符的。