第3章 GPIO与PWM基础

第3章 GPIO与PWM基础：从点亮LED到精准控速

各位同学，今天我们来聊聊嵌入式控制里最基础、也最核心的两个东西——GPIO和PWM。你想想看，剃须刀的刀头要动起来，靠的就是电机。而电机怎么转、转多快，说白了就是靠PWM信号来控制的。这一章，我会带着大家从最底层的寄存器配置开始，一步步把PWM波形“造”出来。

3.1 GPIO初始化：别小看这第一步

GPIO，通用输入输出口。听起来简单，但我在项目中见过太多人在这里翻车。有一次，一个同事调了半天电机就是不转，最后发现是GPIO模式配成了输入模式——嗯，信号根本出不去。

初始化GPIO，一般需要做这几件事：

使能时钟：别以为上电就能用。现在的MCU为了省电，外设时钟默认都是关着的。你得先打开对应GPIO组的时钟。
配置模式：输出还是输入？推挽还是开漏？复用功能还是普通IO？这些要明确。
设置速度：对于PWM输出，我建议配成高速模式。低速模式下波形边沿会变缓，影响精度。
上下拉电阻：一般输出模式不需要，但输入模式建议配上拉，防止浮空。

核心要点：GPIO初始化不是“点个灯”那么简单。它决定了你的PWM信号能不能干净地到达电机驱动芯片。

下面是一个典型的GPIO初始化代码，以STM32为例：

void GPIO_Init(void)
{
    // 1. 使能GPIO时钟
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
    
    // 2. 配置PA0为复用功能输出
    GPIOA->MODER &= ~(0x3 << 0);   // 先清零
    GPIOA->MODER |= (0x2 << 0);    // 设为复用功能
    
    // 3. 设置输出类型为推挽
    GPIOA->OTYPER &= ~(0x1 << 0);
    
    // 4. 设置速度为高速
    GPIOA->OSPEEDR |= (0x3 << 0);
    
    // 5. 无上下拉
    GPIOA->PUPDR &= ~(0x3 << 0);
    
    // 6. 配置复用功能为TIM2_CH1
    GPIOA->AFR[0] &= ~(0xF << 0);
    GPIOA->AFR[0] |= (0x1 << 0);  // AF1对应TIM2
}

我的习惯：每次配GPIO，我都会先读一下参考手册的GPIO章节。别嫌麻烦，不同系列MCU的寄存器布局可能不一样。我曾经因为看错数据手册，把AFR寄存器配错了，查了两天才找到原因。

3.2 PWM波形生成：让电机转起来

PWM，脉冲宽度调制。说白了就是让一个方波的高电平时间可以调节。电机看到的高电平时间越长，转速就越快。

生成PWM波形，通常用定时器的比较输出功能。定时器不断计数，当计数值和比较值相等时，输出电平翻转。这样就能产生一个频率和占空比都可控的方波。

配置定时器生成PWM，一般步骤是：

使能定时器时钟：和GPIO一样，先开时钟。
配置预分频器：决定计数频率。比如系统时钟84MHz，预分频84，计数频率就是1MHz。
设置自动重装载值：决定PWM周期。计数频率1MHz，重装载值1000，PWM频率就是1kHz。
配置比较值：决定占空比。重装载值1000，比较值500，占空比就是50%。
配置输出模式：PWM模式1还是模式2？一般用模式1，即计数小于比较值时输出有效电平。
使能输出：别忘了打开定时器的输出通道。

避坑指南：我曾经在配置PWM时，忘了使能定时器的更新中断。结果波形死活出不来。后来发现是定时器根本没开始计数。记住，使能定时器后，还要调用TIM_Cmd()或者设置CR1寄存器的CEN位。

来看一个完整的PWM配置代码：

void PWM_Init(void)
{
    // 1. 使能定时器时钟
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    
    // 2. 配置预分频器
    TIM2->PSC = 83;  // 84MHz / (83+1) = 1MHz
    
    // 3. 设置自动重装载值
    TIM2->ARR = 999;  // 1MHz / (999+1) = 1kHz
    
    // 4. 配置比较值（初始占空比50%）
    TIM2->CCR1 = 500;
    
    // 5. 配置输出模式为PWM1
    TIM2->CCMR1 &= ~(0x7 << 4);  // 清零OC1M位
    TIM2->CCMR1 |= (0x6 << 4);   // 模式1：向上计数时，CNT<CCR时输出有效
    
    // 6. 使能输出
    TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E;
    
    // 7. 使能定时器
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

小技巧：调试PWM时，我习惯先用示波器看波形。如果没有示波器，可以用逻辑分析仪。实在不行，用万用表测平均电压也能大致判断占空比对不对。

3.3 占空比与频率调节：精准控制的核心

占空比和频率，是PWM的两个核心参数。对于剃须刀电机来说：

频率：决定了电机转动的“细腻程度”。频率太低，电机会发出嗡嗡声，甚至抖动。频率太高，驱动芯片可能跟不上。我一般选在1kHz到20kHz之间。
占空比：直接决定电机转速。占空比越大，平均电压越高，转速越快。但要注意，占空比不能太低，否则电机可能启动不了。

调节占空比，其实就是修改定时器的比较值。比如：

void SetDutyCycle(uint16_t duty)
{
    // 限制占空比范围
    if(duty > 1000) duty = 1000;
    if(duty < 0) duty = 0;
    
    // 更新比较值
    TIM2->CCR1 = duty;
}

调节频率，则需要修改预分频器或自动重装载值。但要注意，修改ARR会影响占空比，因为占空比 = CCR / ARR。所以一般先调好频率，再调占空比。

重要提醒：动态修改ARR时，一定要等定时器计数到0再改。否则可能导致波形异常。我一般会在更新中断里修改，或者用影子寄存器功能。

下面是一个频率和占空比同时调节的例子：

void SetPWMParam(uint16_t freq_hz, uint16_t duty_percent)
{
    uint16_t arr, ccr;
    
    // 计算ARR
    arr = 1000000 / freq_hz - 1;  // 假设计数频率1MHz
    
    // 计算CCR
    ccr = arr * duty_percent / 100;
    
    // 等待定时器计数到0
    while((TIM2->CR1 & TIM_CR1_CEN) && (TIM2->CNT != 0));
    
    // 更新寄存器
    TIM2->ARR = arr;
    TIM2->CCR1 = ccr;
}

注意：频率和占空比的调节范围是有限的。频率太高，ARR值太小，占空比调节精度会下降。比如频率100kHz，ARR只有9，占空比只能调10个等级。所以要根据实际需求权衡。

3.4 实战经验：剃须刀电机的PWM调参

我在做剃须刀项目时，遇到过一个问题：电机在低速时抖动厉害。后来发现是PWM频率选得太低了，只有500Hz。电机在每个PWM周期里，转速波动很大。

解决办法：把频率提高到10kHz。同时，在低速时（占空比小于20%），我加了一个“软启动”逻辑——先给一个高占空比脉冲，让电机转起来，再降到目标占空比。这样抖动就消失了。

另外，不同电机的特性不一样。有刷电机和无刷电机的PWM控制方式差别很大。有刷电机直接用PWM控制电压就行，无刷电机还需要换相逻辑。这个我们后面章节会详细讲。

我的建议：刚开始做PWM控制时，先不要追求高性能。用最简单的配置，让电机转起来。然后慢慢优化频率、占空比、加减速曲线。一步到位往往容易出问题。

好了，这一章的内容就到这里。GPIO和PWM是嵌入式控制的基础，也是电机控制的起点。下一章，我们会讲定时器的更高级用法——编码器接口和输入捕获。这些在剃须刀的转速检测和位置控制中非常有用。

记住，纸上得来终觉浅。看完代码，一定要上板子试试。只有亲手调过PWM波形，你才能真正理解它的脾气。

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