利用STM32F103單片機輸出SPWM波

最近需要用到單片機輸出SPWM波功能，在網上找了好多資料，發現都不完整，有算法的沒有代碼，有代碼的看不懂算法。於是只好自己摸索，現將方法整理如下。
關於什麼是SPWM波，爲什麼要用SPWM波，網上的介紹有很多，就不多說了。主要說一下在STM32F103C8T6上是如何實現的。
要產生SPWM波，核心就是調節PWM波的佔空比，在一定時間段內使輸出PWM波所佔的面積和對應的正弦波面積相等。佔空比的調節需要根據正弦波上對應的點來調節。那麼首先就是要生成一組正弦波數據。生成正弦波的數據代碼如下：

//point 一個週期內的點數
//maxnum 最大值
void get_sin_tab1( u16 point, u16 maxnum )
{
    u16 i = 0, j = 0, k = 0;
    float hd = 0.0;        	//弧度
    float fz = 0.0;       	//峯值
    u16 tem = 0;
    j = point / 2;			//水平線位置 單片機沒有負電壓
    hd = PI / j;        	// π/2 內每一個點對應的弧度值
    k = maxnum / 2;      	//最大值一半
    for( i = 0; i < point; i++ )
    {     
		fz = k * sin( hd * i ) + k;					
        tem = ( u16 )fz ;						
		printf("%d\r\n",tem);
        sinData[i] = tem;
    }

通過串口波形軟件可以看到生成的數據和波形如下：

數據生成好之後，下來設置定時器輸出PWM，

void TIM1_PWM_Init(u16 arr, u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //複用時鐘

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;				//只有高級定時器需要設置，其他定時器可以不設置。
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseInitStructure);

    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;

    TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);							//TIM1_OC1   

    TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);

    TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);
    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);									//高級定時器纔有  必須打開
}

設置定時器1輸出PWM波，定時器初始化爲:

 定時器 TIM1_PWM_Init(1000 - 1, 3);		

定時器1輸出18K的PWM波,此時輸出的PWM波佔空比是固定的，還不能隨着正弦規律變化。下來利用定時器2的定時中斷，在中斷中改變PWM的佔空比。

//APB1時鐘分頻爲2  TIM2-7 時鐘數爲APB1 2倍
// Tout= (arr+1)*(psc+1) / Tclk
void TIM2_Init(u16 arr, u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;			//只有高級定時器需要設置，其他定時器可以不設置。
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);

    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x01;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

u8 dc_cnt = 0;							//佔空比計數
//定時器2中斷中改變 定時器1的佔空比值
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        TIM_SetCompare1(TIM1, sinData[dc_cnt]);
        dc_cnt++;
        if(dc_cnt >= PointMax)
            dc_cnt = 0;
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
}

在定時器2中斷中，依次將sinData數組中存放的正弦數據做爲PWM的佔空比值。由於生成的正弦數據最大值是1000，輸出PWM的ARR值也是1000，那麼生成的正弦值就可以直接做爲佔空比用。如果生成的正弦波數據和ARR值不一樣，在此處需要一個轉換，用比例係數調整正弦波中的最大值剛好是佔空比最大值就行。
這樣在定時器1輸出PWM比的時候，在定時器2中斷中調整PWM的佔空比，這樣輸出的PWM波經過外部電容後，就是一個正弦波。在PA8引腳接105電容。生成的波形如下：

生成了正弦波之後，初步目的算是達到了。那麼如何用生成的正弦波，和外部市電波形同步呢。
可以用過零檢測電路將外部波形測出來。在每個零過點的時候輸出一個脈衝。然後用中斷檢測這個脈衝，每次過零點到來時，在中斷中將正弦波數組下標設置爲0，這樣每個過零點時，輸出的正弦波也從0點開始輸出。
外部中斷代碼如下：

void IO_Exti_Init(void)
{
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource0);

    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

extern u8 dc_cnt;							//佔空比計數
//10ms中斷一次
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET)
    {
        dc_cnt = 0;
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    }
}

在外部中斷中將正弦波數組的下標控制值dc_cnt 清零，這樣每個過零點時，輸出的正弦波數據正好是第一個。
這樣輸出的SPWM波就可以通過中斷和外部波形進行同步了。

通過波形可以看出，在過零點位置，輸出正弦波也剛好在零點。
如果要調整輸出正弦波數據的初始位置怎麼辦呢？只需要在生成正弦波數據時，設置初始位置就行。

void get_sin_tab1( u16 point, u16 maxnum )
{
    u16 i = 0, j = 0, k = 0;
    float hd = 0.0;        	//弧度
    float fz = 0.0;       	//峯值
    u16 tem = 0;
    j = point / 2;			//水平線位置 單片機沒有負電壓 水平線爲點值數量的一半
    hd = PI / j;        	// π/2 內每一個點對應的弧度值
    k = maxnum / 2;      	//最大值一半
    for( i = 0; i < point; i++ )
    {
		fz = k * sin( hd * i ) + k;						//起點爲中間值
        //fz = k * sin( hd * i + PI / 2) + k;			//起點位置偏移到 π/2  起點爲最大值
		//fz = k * sin( hd * i + PI / 2 + PI ) + k;		//起點位置偏移到 π/2 + π 起點爲最小值

        tem = ( u16 )fz ;						
        sinData[i] = tem;
    }
}

在生成數據是 sin( hd * i ) ,的值就是初始相位，如果要調整初始位置，只需要將括號中的值加上偏移量就行，默認的起始位置在正弦波的0度位置，如果要讓初始位置在90度，那麼給括號中的值在加上 π/2就可以了。

如果要讓起始位置在270度時，在括號中加上 3/2π就可以了。

完整工程鏈接：https://download.csdn.net/download/qq_20222919/12005311