開發(fā)環(huán)境：

MDK：Keil 5.30

開發(fā)板：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

1 呼吸燈的工作原理

呼吸燈，就是指燈光設備的亮度隨著時間由暗到亮逐漸增強，再由亮到暗逐漸衰減，很有節(jié)奏感地一起一伏，就像是在呼吸一樣，因而被廣泛應用于手機、電腦等電子設備的指示燈中。

要使用數(shù)字器件控制燈光的強弱，我們很自然就想到 PWM(脈沖寬度調制)技術。假如以LED 作為燈光設備，且由控制器輸出的 PWM 信號可以直接驅動 LED，PWM 信號中的低電平可點亮 LED 燈。當 LED 以較高的頻率進行開關(亮滅)切換時，由于視覺暫留效應，人眼是看不到 LED 燈的閃爍現(xiàn)象的，反映到人眼中能感覺到的是亮度的差別。即以一定的時間長度為周期，LED 燈亮的平均時間越長，亮度就越高，反之越暗。因此，我們可以使用高頻率的 PWM 信號，通過調制信號的占空比，控制 LED 燈的亮度。

那么具體我們應該控制 LED 燈以怎樣的亮度曲線變化能夠達到最好的效果呢？亮度隨著時間逐漸變強再衰減，可以用兩種常見的數(shù)學函數(shù)表示，分別是半個周期的正弦函數(shù)與指數(shù)上升曲線及其對稱得到的下降曲線。

相對來說，使用下凹函數(shù)曲線燈光處于暗的狀態(tài)更長，所以指數(shù)函數(shù)的曲線更符合我們呼吸燈的亮度變化要求。

2 呼吸燈實現(xiàn)

2.1 簡單方式

筆者先用最簡單的方式來實現(xiàn)，也就是定時改變比較寄存器的值。

1.初始化 GPIO

下面分析具體的定時器配置代碼。本實驗使用 PB0 作為定時器 PWM 輸出通道，先對它進行初始化。作 PWM 輸出通道的引腳需要被配置為復用推挽輸出模式。

/*
    brief      configure PWM GPIO
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
static void timer_gpio_init(void)
{
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);

    /* Configure PB0 (TIMER2 CH2) as alternate function */
    gpio_init(GPIOB, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_0);
}

2.配置定時器模式

在timer2_init()函數(shù)中，完成了呼吸燈所需要的定時器 PWM 輸出模式配置。

/*
    brief      configure the Breath LED peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
  */
void breath_led_init(void)
{
    /* TIMER2 configuration: generate PWM signals with different duty cycles:
       TIMER2CLK = SystemCoreClock / 120 = 1MHz */
    timer_oc_parameter_struct timer_ocintpara;
    timer_parameter_struct timer_initpara;

    /* configure the GPIO ports */
    timer_gpio_init();

    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);

    timer_deinit(TIMER2);

    /* TIMER1 configuration */
    timer_initpara.prescaler         = 119;
    timer_initpara.alignedmode       = TIMER_COUNTER_EDGE;
    timer_initpara.counterdirection  = TIMER_COUNTER_UP;
    timer_initpara.period            = 250;
    timer_initpara.clockdivision     = TIMER_CKDIV_DIV1;
    timer_initpara.repetitioncounter = 0;
    timer_init(TIMER2, &timer_initpara);

    /* CH0 configuration in PWM mode 0 */
    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_2, &timer_ocintpara);

    /* CH0 configuration in PWM mode 0,duty cycle 25% */
    timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_2, 0);
    timer_channel_output_mode_config(TIMER2, TIMER_CH_2, TIMER_OC_MODE_PWM0);
    timer_channel_output_shadow_config(TIMER2, TIMER_CH_2, TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);

    /* auto-reload preload enable */
    timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER2);
    /* TIMER2 enable */
    timer_enable(TIMER2);
}

這個定時器的模式配置主要分為三個部分，分別為時基初始化，輸出模式初始化。

• 時基初始化

代碼中前面的部分是定時器的時基初始化，這部分主要負責配置定時器的定時周期、時鐘頻率、計數(shù)方式等。它使用到庫函數(shù)timer_init()函數(shù)，利用結構體timer_parameter_struct進行配置，該結構體有以下成員：

1. period

定時周期，實質是存儲到重載寄存器CAR的數(shù)值，脈沖計數(shù)器從 0 累加到這個值上溢或從這個值自減至 0 下溢。這個數(shù)值加 1 然后乘以時鐘源周期就是實際定時周期。

本實驗中向該成員賦值為 255，即定時周期為(255+1)* T ，T 為定時器的時鐘周期。

2. prescaler

對定時器時鐘CLK 的預分頻值，分頻后作為脈沖計數(shù)器TIMERx_CNT的驅動時鐘，得到脈沖計數(shù)器的時鐘頻率為：CNT=CLK/(N+1)，其中 N 為即為賦給本成員的時鐘分頻值。

本實驗給 prescaler 成員賦值為 119，即對時鐘 120 分頻，所以定時器的時鐘周期 T 為 120/120000000。

3. clockdivision

時鐘分頻因子。怎么又出現(xiàn)一個配置時鐘分頻的呢？要注意這個clockdivision和上面的 prescaler 是不一樣的。prescaler 預分頻配置是對CLK進行分頻，分頻后的時鐘被輸出到脈沖計數(shù)器CNT。

本實驗中是使用內(nèi)部時鐘CLK 作為定時器時鐘源的，沒有進行濾波所以配置clockdivision為任何數(shù)值都沒有影響。

4. alignedmode

本成員配置的為脈沖計數(shù)器 CNT 的計數(shù)模式，分別為向上計數(shù)，向下計數(shù)，及中央對齊模式。向上計數(shù)即 CNT 從 0 向上累加到 period 中的值，（重載寄存器 CAR 的值），產(chǎn)生上溢事件；向下計數(shù)則 CNT 從period 的值累減至0，產(chǎn)生下溢事件。而中央對齊模式則為向上、向下計數(shù)的合體，CNT 從 0 累加到period 的值減 1 時，產(chǎn)生一個上溢事件，然后向下計數(shù)到 1 時，產(chǎn)生一個計數(shù)器下溢事件，再從 0 開始重新計數(shù)。

• 輸出模式配置

在本函數(shù)代碼的后面是關于定時器的輸出模式配置的。通用定時器的輸出模式由 timer_oc_parameter_struct類型結構體的主要有以下幾個成員：

1. outputstate

配置輸出模式的狀態(tài)使能或關閉輸出。

2. outputnstate

本成員的參數(shù)值即為比較寄存器 CH2CV的數(shù)值，當脈沖計數(shù)器CNT與CH2CV的比較結果發(fā)生變化時，輸出脈沖將發(fā)生跳變。

3. ocpolarity

有效電平的極性，把 PWM 模式中的有效電平設置為高電平或低電平。

本實驗中向該成員賦值為 TIMER_OC_POLARITY_LOW (有效電平為低電平)，因為在上面把輸出模式配置為 PWM0 模式，向上計數(shù)，所以在 CNT< CH0CV 時，通道 n 輸出為低電平，否則為高電平。

4. ocnpolarity

用于比較有效電平的極性。

本實驗中就是通過不斷改變比較寄存器CH2CV的值，達到控制 PWM 信號的占空比呈指數(shù)曲線變化的目的。在本函數(shù)代碼中，我們對該成員賦予初始為 0，而改變比較寄存器 CH0CV 值的操作是在中斷服務函數(shù)中修改的。填充完輸出模式初始化結構體后，調用輸出模式初始化函數(shù) timer_channel_output_config()對通道進行初始化。

以上是最基本的PWM輸出調制實現(xiàn)呼吸燈。

筆者接下來還要講解一下重映射的輸出配置。在這里講解的是通過重映射 TIMER2_CH2到 PB0 上，由 TIMER2_CH2 輸出 PWM 來控制LED的亮度。下面我們介紹通過庫函數(shù)來配置該功能的步驟。

1）開啟 TIMER2時鐘以及復用功能時鐘，配置 PB0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。這里我們還要配置 PB0為復用輸出，此時，PB0屬于復用功能輸出。在此只列出庫函數(shù)設置 AFIO 時鐘的方法。

rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);

其余的和前面的配置一樣，就不再列出了。

2）初始化 TIMER2,設置 TIMER2的 CAR 和 PSC。

3）設置 TIMER2_CH2 的 PWM 模式，使能 TIMER2的 CH2 輸出。

4）使能 TIMER2。

在完成以上設置了之后，我們需要使能 TIMER2。 使能 TIMER2的方法前面已經(jīng)講解過：

timer_enable(TIMER2);

5）修改 TIMER2_ CH2CV來控制占空比。

最后，在經(jīng)過以上設置之后， PWM 其實已經(jīng)開始輸出了，只是其占空比和頻率都是固定的，而我們通過修改 TIMER2_CH2CV則可以控制 CH2 的輸出占空比。繼而控制LED的亮度。在庫函數(shù)中，修改 TIMER2_CH2CV占空比的函數(shù)是：

void timer_channel_output_pulse_value_config(uint32_t timer_periph, uint16_t channel, uint32_t pulse)

通過以上5個步驟，我們就可以控制 TIMER2的 CH2 輸出 PWM 波了。

接下來看看主函數(shù)的代碼：

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)
{
    uint16_t i = 0;
    FlagStatus breathe_flag = SET;

    //systick init
    sysTick_init();

    /* configure the Breath LED peripheral */
    breath_led_init();

    while(1)
    {
        /* delay a time in milliseconds */
        delay_ms(5);
        if(SET == breathe_flag) 
        {
            i++;
        }
        else
        {
            i--;
        }
        if(250 < i)
        {
            breathe_flag = RESET;
        }
        if(0 >= i)
        {
            breathe_flag = SET;
        }
        /* configure TIMER channel output pulse value */
        //timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_2, i);
        TIMER_CH2CV(TIMER2) = (uint32_t)i;
    }
}

代碼很簡單，就是不斷改變CH2CV的值從而控制 CH2 的輸出占空比。

2.2 中斷方式

1.生成指數(shù)曲線 PWM 數(shù)據(jù)

要實現(xiàn) LED 亮度隨著指數(shù)曲線變化，我們需要使用占空比呈指數(shù)曲線變化的 PWM 信號，而這樣的信號由定時器經(jīng)過查表產(chǎn)生。這個表的數(shù)據(jù)存儲在程序中的數(shù)組 indexWave中。

uint8_t indexWave[] = {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};

這個表有 40 個數(shù)字，從圖中可以看到這些數(shù)字呈指數(shù)上升再衰減，正好是呼吸燈的一個控制周期。數(shù)字的大小范圍是 0255，即把 LED 的亮度分為了 0255 個等級。

假如我們把定時器的脈沖計數(shù)器 CNT 上限設置為 255，把這個表的數(shù)據(jù)一個一個地賦值到定時器的比較寄存器CH2CV中，那么在每個 PWM 周期中，當 CNT的計數(shù)值小于比較寄存器 CH2CV的值時， 就會在通道中輸出低電平，點亮 LED，而隨著 CCR 的值由 LED 亮度表得來，所以 LED 點亮的時間就會呈圖中的曲線變化，實現(xiàn)呼吸燈的功能。

這個表的數(shù)據(jù)是使用 matlab 軟件生成的。該代碼運行后會生成一個“index_wave.c”的文件，用戶把該文件中的數(shù)據(jù)復制到工程中的數(shù)組中即可。

%本代碼用于產(chǎn)生呼吸燈使用的指數(shù)函數(shù)數(shù)據(jù)
clear;

x = [0 : 8/19 : 8];       %設置序列 ，指數(shù)上升
up = 2.^x ;               %求上升指數(shù)序列  
up = uint8(up);           %化為8位數(shù)據(jù)

y = [8: -8/19 :0];       %設置序列 ，指數(shù)下降
down = 2.^y ;            %求下降指數(shù)序列
down = uint8(down);      %化為8位數(shù)據(jù)

line = [[0:8/19:8],[8:8/19:16]]         %拼接序列
val = [up , down]                       %拼接輸出序列

dlmwrite('index_wave.c',val);       %輸出到文件index_wave.c
plot(line,val,'.');                 %顯示波形圖

2.初始化 GPIO

這部分和前面的一樣，沒啥好說的。

3.配置定時器模式

這里也差不多，只是將分頻系數(shù)設置的稍微大些，另外開啟了中斷。

/*
    brief      configure the Breath LED peripheral
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
  */
void breath_led_init(void)
{
    /* TIMER2 configuration: generate PWM signals with different duty cycles*/
    timer_oc_parameter_struct timer_ocintpara;
    timer_parameter_struct timer_initpara;

    /* configure the GPIO ports */
    timer_gpio_init();

    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);

    timer_deinit(TIMER2);

    /* TIMER2 configuration */
    timer_initpara.prescaler         = 3999;
    timer_initpara.alignedmode       = TIMER_COUNTER_EDGE;
    timer_initpara.counterdirection  = TIMER_COUNTER_UP;
    timer_initpara.period            = 255;
    timer_initpara.clockdivision     = TIMER_CKDIV_DIV1;
    timer_initpara.repetitioncounter = 0;
    timer_init(TIMER2, &timer_initpara);

    /* CH2 configuration in PWM mode 0 */
    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_2, &timer_ocintpara);

    /* CH2 configuration in PWM mode 0,duty cycle 25% */
    timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER2, TIMER_CH_2, 0);
    timer_channel_output_mode_config(TIMER2, TIMER_CH_2, TIMER_OC_MODE_PWM0);
    timer_channel_output_shadow_config(TIMER2, TIMER_CH_2, TIMER_OC_SHADOW_DISABLE);

    /* auto-reload preload enable */
    timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER2);

    /* Timer2 interrupt setting, preemptive priority 0, sub-priority 2 */
    nvic_irq_enable(TIMER2_IRQn, 0, 2); 

    /* Enable Timer2 update interrupt */
    timer_interrupt_enable(TIMER2, TIMER_INT_UP);

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

配置好中斷，下面就要編寫中斷服務函數(shù)。

/*!
    \\brief      this function handles TIMER2 exception
    \\param[in]  none
    \\param[out] none
    \\retval     none
*/
void TIMER2_IRQHandler(void)
{
    static uint8_t pwm_index = 0; //用于PWM查表
    static uint8_t period_cnt = 0; //用于計算周期數(shù)
	
    if(timer_interrupt_flag_get(TIMER2, TIMER_INT_FLAG_UP))
    {
        /* 清除TIMER2 中斷標志位 */
        timer_interrupt_flag_clear(TIMER2, TIMER_INT_FLAG_UP);

        period_cnt++;
        if(period_cnt >= 10)	//若輸出的周期數(shù)大于10，輸出下一種脈沖寬的PWM波
        {
            //根據(jù)PWM表修改定時器的比較寄存器值
            TIMER_CH2CV(TIMER2) = indexWave[pwm_index];
            pwm_index++; //標志PWM表的下一個元素
            //若PWM脈沖表已經(jīng)輸出完成一遍，重置PWM查表標志
            if( pwm_index >=  40)	
            {
                pwm_index=0;
            }
            period_cnt=0; //重置周期計數(shù)標志
        }
    }
}

本中斷服務函數(shù)在每次定時器更新事件發(fā)生時執(zhí)行一次(即 256 個定時器時鐘周期)。函數(shù)中使用了靜態(tài)變量 pwm_index 和 period_cnt，它們分別用來查找 PWM 表元素和記錄同樣占空比的脈沖輸出了多少次。

本代碼的目的是每 10 次定時器中斷更新一次 PWM 表中的數(shù)據(jù)到比較寄存器中，當遍歷完 PWM 表的 40 個元素時，再重頭開始遍歷 PWM 表，周而復始，重復 LED 的呼吸過程。

整個呼吸過程的時間計算方法如下：

因為定時器的 prescaler 設置為 3999；

所以定時器的時鐘頻率：fTIMER = 120000000/(prescaler+1) = 30000 Hz

即定時器的時鐘周期為：tTIMER = 1/fTIMER = 1/30000 s

因為定時器的 period 設置為 255；

所以定時器的中斷周期為：tint= tTIMER * (period+1) =0.00753s

因為 PWM 表有 pwm_index = 40 個亮度占空比數(shù)據(jù)，同種占空比信號輸出 period_cnt =10 次

所以一個呼吸周期 T = tint *40 *10 = 3.41s

3 呼吸燈的實驗現(xiàn)象

將程序編譯好下載到板子中，將PF6接到PB0上，可一看到LED1像呼吸一樣漸漸變明或者漸漸變暗，但是方法二明顯比方法一更流暢，效果更好。