4、MCU外设驱动开发（二）：定时器驱动——PWM生成（控制风机/边刷电机）、输入捕获（编码器测速）

好，我们接着聊定时器。上一节我们把定时器的基础定时功能讲透了，这一节要上点硬菜了——PWM生成和输入捕获。这两个东西，说白了就是扫地机运动控制的两条腿：一条腿负责“动”（控制电机转多快），另一条腿负责“感知”（知道轮子实际转了多少）。

我个人习惯把PWM和输入捕获放在一起讲，因为它们在硬件上往往共用同一个定时器的不同通道。你想想看，一个定时器既能输出PWM驱动电机，又能捕获编码器信号测速，这多省资源。我在项目中就经常这么干，一个TIM2搞定一个轮子的驱动和测速。

4.1 PWM生成：控制风机与边刷电机

PWM，脉冲宽度调制。说白了就是通过调节高电平占一个周期时间的比例，来模拟一个可变的电压。你给电机一个50%占空比的PWM，它感受到的平均电压就是电源电压的一半，转速也就差不多是一半。

扫地机里哪些地方用PWM？

• 风机电机：需要无级调速，吸力大小全靠PWM占空比控制
• 边刷电机：转速通常固定，但需要可调，适应不同地面材质
• 滚刷电机：同样需要调速，防止缠绕时堵转

4.1.1 PWM的硬件原理

定时器产生PWM的核心机制，就是自动重装载值（ARR）和比较值（CCR）的配合。ARR决定了PWM的周期，CCR决定了占空比。

举个例子：ARR设为999，定时器时钟频率为72MHz，预分频器设为71，那么计数器每计数一次是1微秒。从0数到999，周期就是1毫秒，也就是1kHz的PWM频率。如果CCR设为500，那么前500微秒输出高电平，后500微秒输出低电平，占空比就是50%。

4.1.2 代码实现：PWM初始化

以STM32为例，我们配置TIM2的通道1输出PWM，控制风机。嗯，这里要注意，不同MCU的库函数接口不一样，但思路完全一致。

// PWM初始化函数
void PWM_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    
    // 1. 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 2. 配置GPIO为复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;  // TIM2_CH1
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 3. 配置定时器时基
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999;         // ARR = 999
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;       // 预分频 72MHz/72 = 1MHz
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 4. 配置PWM模式
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;              // 初始占空比0%
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
    
    // 5. 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

// 设置占空比函数
void PWM_SetDuty(uint16_t duty)
{
    if(duty > 999) duty = 999;  // 限幅保护
    TIM_SetCompare1(TIM2, duty);
}

4.1.3 风机与边刷电机的PWM控制策略

实际项目中，风机和边刷的PWM控制策略不太一样：

电机类型	PWM频率	控制策略	注意事项
风机电机	20kHz-25kHz	PID闭环调速	频率太低会有啸叫声
边刷电机	1kHz-10kHz	开环固定占空比	注意堵转保护
滚刷电机	10kHz-20kHz	恒功率控制	检测电流防止缠绕

为什么风机要用20kHz以上的PWM频率？因为人耳能听到的频率范围是20Hz到20kHz。低于20kHz，电机线圈会发出尖锐的啸叫声，用户体验极差。我在第一版样机里用了10kHz，结果测试时同事说“这机器怎么跟蚊子似的嗡嗡响”……后来改到22kHz，世界清净了。

4.2 输入捕获：编码器测速

光有PWM输出还不够，你得知道电机实际转了多少。这就是编码器的活。编码器输出两路相位差90度的方波信号，通过测量这两路信号的脉冲数和相位关系，就能算出转速和转向。

输入捕获模式，就是用来精确测量外部信号频率或脉宽的。对于编码器测速，我们通常用定时器的编码器模式，它硬件上自动处理两路信号的边沿检测和计数，比纯软件轮询高效得多。

4.2.1 编码器模式原理

定时器的编码器模式，说白了就是让硬件自动根据两路输入信号的相位关系，决定计数器是加还是减。当A相超前B相时，计数器递增；B相超前A相时，计数器递减。

编码器模式有三种配置方式：

• TI1模式：只在TI1（A相）的边沿计数
• TI2模式：只在TI2（B相）的边沿计数
• TI1和TI2模式：在A相和B相的边沿都计数，分辨率最高

我个人建议用TI1和TI2模式，也就是4倍频模式。为什么？因为同样的编码器线数，4倍频能获得4倍的分辨率。比如一个500线的编码器，4倍频后每圈能产生2000个脉冲，测速精度高很多。

4.2.2 代码实现：编码器模式配置

// 编码器模式初始化
void Encoder_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    
    // 1. 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 2. 配置GPIO为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;  // TIM3_CH1, CH2
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 3. 配置定时器时基
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;  // 16位最大计数值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;    // 不分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 4. 配置编码器模式
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0F;  // 滤波，防止抖动
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
    
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0F;
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
    
    // 5. 设置为编码器模式（TI1和TI2都计数）
    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, 
                               TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
    
    // 6. 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

// 读取编码器计数值
int16_t Encoder_GetCount(void)
{
    return (int16_t)TIM_GetCounter(TIM3);
}

// 清零编码器计数值
void Encoder_ClearCount(void)
{
    TIM_SetCounter(TIM3, 0);
}

4.2.3 速度计算与滤波

有了编码器脉冲数，怎么算速度？公式很简单：

转速(RPM) = (脉冲数 / 编码器线数 / 倍频数) × (60 / 测量周期秒数)

举个例子：编码器线数500，4倍频，每圈2000个脉冲。如果在100毫秒内测到500个脉冲，那么：

转速 = (500 / 2000) × (60 / 0.1) = 150 RPM

实际项目中，我还会加一个简单的低通滤波，防止速度值跳变太大：

// 一阶低通滤波计算速度
#define SPEED_FILTER_COEFF  0.3f  // 滤波系数

float Speed_Calculate(int16_t pulse_cnt, float dt)
{
    float instant_speed;
    static float filtered_speed = 0.0f;
    
    // 计算瞬时速度
    instant_speed = (float)pulse_cnt / 2000.0f / dt * 60.0f;
    
    // 一阶低通滤波
    filtered_speed = filtered_speed * (1 - SPEED_FILTER_COEFF) + 
                     instant_speed * SPEED_FILTER_COEFF;
    
    return filtered_speed;
}

4.3 PWM与编码器的协同工作

讲到这里，你可能已经发现了：PWM控制电机转，编码器测量电机转没转。两者配合，就能实现闭环控制。

实际扫地机中，每个驱动轮都有一个独立的PWM通道和编码器通道。左轮用TIM2的CH1输出PWM，TIM3的编码器模式测速；右轮用TIM2的CH2输出PWM，TIM4的编码器模式测速。这样两个轮子就能独立控制，实现差速转向。

嗯，这里要提醒一下：PWM和编码器的定时器不要共用同一个。为什么？因为编码器模式会占用定时器的全部四个通道，而PWM输出也需要通道资源。强行共用会导致资源冲突。我见过有人为了省定时器，把PWM和编码器放在同一个定时器上，结果调试了三天没搞定……

好了，这一节的内容就到这里。PWM生成和输入捕获是嵌入式驱动开发中的基本功，也是扫地机运动控制的核心。下一节我们会把这些知识串起来，讲一讲电机驱动的完整实现——包括PID控制器怎么写，以及怎么处理堵转、过流这些异常情况。