用CCS分析解讀CC3200 SDK工具包的PWM示例程式

CC3200一共有4組定時器TimerA0-A3，每個定時器有2個子定時器，如TimerA0A、TimerA0B、TimerA1A、TimerA1B等。根據不同的功能需要，可以在引腳配置檔案中選擇不同的模式，如下圖，模式3代表輸出PWM，模式12代表捕獲外部脈衝。


圖源自：CC3200-PWM
PWM示例程式在“example\pwm”目錄中。C3200 GPTA2B、GPTA3B、GPTA3A分別通過PWM05（PIN_64）、PWM06（PIN_01）、PWM07（PIN_02）輸出PWM訊號（佔空比由0到1）控制3個LED的亮度（由滅逐漸到亮）。PWM專案包含主函式檔案、引腳配置程式檔案和CCS啟動程式檔案。

1. PWM操作
   PWM操作主要是初始化PWM模組InitPWMModules()，主要內容是設定PWM模式SetupTimerPWMMode（）。

void InitPWMModules()
{
    //
    // Initialization of timers to generate PWM output
    //
    MAP_PRCMPeripheralClkEnable(PRCM_TIMERA2, PRCM_RUN_MODE_CLK);
    MAP_PRCMPeripheralClkEnable(PRCM_TIMERA3, PRCM_RUN_MODE_CLK);

    //
    // TIMERA2 (TIMER B) as RED of RGB light. GPIO 9 --> PWM_5
    //
    SetupTimerPWMMode(TIMERA2_BASE, TIMER_B,
            (TIMER_CFG_SPLIT_PAIR | TIMER_CFG_B_PWM), 1);
    //
    // TIMERA3 (TIMER B) as YELLOW of RGB light. GPIO 10 --> PWM_6
    //
    SetupTimerPWMMode(TIMERA3_BASE, TIMER_A, 
            (TIMER_CFG_SPLIT_PAIR | TIMER_CFG_A_PWM | TIMER_CFG_B_PWM), 1);
    //
    // TIMERA3 (TIMER A) as GREEN of RGB light. GPIO 11 --> PWM_7
    //
    SetupTimerPWMMode(TIMERA3_BASE, TIMER_B, 
            (TIMER_CFG_SPLIT_PAIR | TIMER_CFG_A_PWM | TIMER_CFG_B_PWM), 1);

    MAP_TimerEnable(TIMERA2_BASE,TIMER_B);
    MAP_TimerEnable(TIMERA3_BASE,TIMER_A);
    MAP_TimerEnable(TIMERA3_BASE,TIMER_B);
}

void SetupTimerPWMMode(unsigned long ulBase, unsigned long ulTimer,
                       unsigned long ulConfig, unsigned char ucInvert)
{
    //
    // Set GPT - Configured Timer in PWM mode.
    //
    MAP_TimerConfigure(ulBase,ulConfig);
    MAP_TimerPrescaleSet(ulBase,ulTimer,0);
    
    //
    // Inverting the timer output if required
    //
    MAP_TimerControlLevel(ulBase,ulTimer,ucInvert);
    
    //
    // Load value set to ~0.5 ms time period
    //
    MAP_TimerLoadSet(ulBase,ulTimer,TIMER_INTERVAL_RELOAD);
    
    //
    // Match value set so as to output level 0
    //
    MAP_TimerMatchSet(ulBase,ulTimer,TIMER_INTERVAL_RELOAD);

}

SetupTimerPWMMode（）主要包括下列內容。

• 配置定時器：TimerConfigure（）
• 設定預分頻：TimerPrescaleSet（）
• 控制輸出電平：TimerControlLevel（）
• 設定定時器初值：TimerLoadSet（）
• 設定定時器匹配：TimerMatchSet（）
  （1）配置定時器

void TimerConfigure（unsigned long ulBase, unsigned long ulConfig）;

引數說明：

• ulBase：定時器基地址，TimerA2和TimerA3的基地址分別是0x4003 2000和0x4003 3000，在hw_memmap.h中定義。

• ulConfig：定時器配置，主要包括下列值。
  1.TIMER_CFG_SPLIT_PAIR：雙16位定時器
  2.TIMER_CFG_A_PWM：子定時器A PWM輸出
  3.TIMER_CFG_B_PWM：子定時器B PWM輸出
  TimerA2的設定值是1和3，因為此程式涉及到了TimerA2B。
  TimerA3的設定值是1、2和3，因為此程式涉及到了TimerA3A、TimerA3B。
  當需要同時配置一個定時器組中的兩個pwm輸出的時候，模式設定函式中要2和3進行或運算，如下所示。不能單獨配置，否則前一個配置模式會被後面的配置給覆蓋掉。

  注意：Timer專案和PWM專案中TimerConfigure（）的主要區別是配置值的不同，Timer專案中配置值是TIMER_CFG_PERIODIC（32位週期定期器）。
  （2）設定預分頻

void TimerPrescaleSet（unsigned long ulBase, unsigned long ulTimer,unsigned long ulValue）

引數說明：

• ulBase：定時器基地址。
• ulTimer:子定時器選擇，TimerA2的設定值是TIMER_B，TimerA3的設定值是TIMER_A和TIMER_B。
• ulValue：預分頻值，設定值都是0，即不分頻。

（3）控制輸出電平

void TimerControlLevel（unsigned long ulBase, unsigned long ulTimer,tBoolean bInvert）

引數說明：

• ulBase：定時器基地址。
• ulTimer:子定時器選擇。
• bInvert：定時器輸出電平，true表示低電平，false表示高電平。此示例程式都設定為1，也就是PWM模式下輸出的有效電平為低電平，對應的LED的熄滅狀態。
  
  （4）設定定時器初值

void TimerLoadSet（unsigned long ulBase, unsigned long ulTimer,unsigned long ulValue）

引數說明：

• ulBase：定時器基地址。
• ulTimer:子定時器選擇。
• ulValue：定時器初值。此示例程式設定的是40035.

MAP_TimerLoadSet(ulBase,ulTimer,TIMER_INTERVAL_RELOAD);
.....
#define TIMER_INTERVAL_RELOAD   40035 /* =(255*157) */

（5）設定定時器匹配值

void TimerMatchSet（unsigned long ulBase, unsigned long ulTimer,unsigned long ulValue）

引數說明：

• ulBase：定時器基地址。
• ulTimer:子定時器選擇。
• ulValue：定時器初值。
  （6）允許定時器

void TimerEnable（unsigned long ulBase, unsigned long ulTimer）

（7）更新PWM佔空比

void UpdateDutyCycle(unsigned long ulBase, unsigned long ulTimer,
                     unsigned char ucLevel)
{
    //
    // Match value is updated to reflect the new dutycycle settings
    //
    MAP_TimerMatchSet(ulBase,ulTimer,(ucLevel*DUTYCYCLE_GRANULARITY));
}
...
#define DUTYCYCLE_GRANULARITY   157

2. 佔空比的計算
   系統的時鐘是80MHz的，首先確定PWM的週期，比如說0.5ms，據此確定定時器裝載的初始值。（0.5*10的-3次方）/（1/80M） = 40000，也就是說定時器從40000向下計數就是0.5ms。
   

從上圖看出，定時器的初值為0xC350，然後比較值為0x411A，PWM輸出的原理是定時器向下計數，當定時器的值大於比較值時輸出有效電平，小於比較值時輸出另一電平。而有效電平的設定是在控制輸出電平TimerControlLevel（）中的bInvert引數設定的，此示例程式都設定為1，也就是PWM模式下輸出的有效電平為低電平，對應的LED的熄滅狀態。
然後我們要考慮佔空比可調，我們需要考慮LED亮度一共有多少等級可以調節。示例中設定的是0-254一共255個等級，那每個等級之間的步長就是40000/255約等於157，不能除盡。所以我們調節定時器的初值為255*157=40035（週期0.5004735ms），這樣就可以達到255等級，每個等級步長均為157。

下圖是主函式迴圈函式，主要是改變iLoopCnt以此來改變LED燈亮度等級，從0開始往上遞增。

    while(1)
    {
        //
        // RYB - Update the duty cycle of the corresponding timers.
        // This changes the brightness of the LEDs appropriately.
        // The timers used are as per LP schematics.
        //
        for(iLoopCnt = 0; iLoopCnt < 255; iLoopCnt++)
        {
            UpdateDutyCycle(TIMERA2_BASE, TIMER_B, iLoopCnt);
            UpdateDutyCycle(TIMERA3_BASE, TIMER_B, iLoopCnt);
            UpdateDutyCycle(TIMERA3_BASE, TIMER_A, iLoopCnt);
            MAP_UtilsDelay(800000);
        }
     }

以下為具體的佔空比更新函式，引用了TimerMatchSet函式改變匹配值，也就是匹配值。我們可以看到匹配值從等級0，慢慢增加，對應的就是比較值0、157、314…所以我們可以推出在前面一段時間，整個週期低電平是佔了一大半時間的，對應的就是LED處於熄滅狀態。當比較值慢慢增加，有效電平即低電平所佔的時間慢慢減少，高電平所佔的時間慢慢增加，也就是LED點亮的時間慢慢增加，從視覺上來說，就是LED變亮了。

void UpdateDutyCycle(unsigned long ulBase, unsigned long ulTimer,
                     unsigned char ucLevel)
{
    //
    // Match value is updated to reflect the new dutycycle settings
    //
    MAP_TimerMatchSet(ulBase,ulTimer,(ucLevel*DUTYCYCLE_GRANULARITY));
}

3. 函式引用關係整理
   綠色框圖代表的是SDK工具包提供的庫函式，這是已經封裝好的函式，只要匯入標頭檔案和相關驅動檔案就可以直接引用。藍色函式是新定義的函式。

參考文獻：《ARM Cortex-M4+Wi-Fi MCU應用指南-CC3200 CCS基礎篇》郭書軍編著 電子工業出版社