STM32 硬件 PWM 学习文档（以 STM32F103VB + PA1/TIM2_CH2/LED17 为例）
1. 学习目标
本文档用于梳理 STM32 硬件 PWM 的基础概念、参数计算方法、配置思路，以及本次实验中
用例：PA1 -> TIM2_CH2 -> LED17 的实际应用过程。
通过本文档，应能回答下面几个问题：
- 什么是 PWM
- STM32 的硬件 PWM 是怎么产生的
- 为什么 PSC、ARR、CCR 要这样配置
- PWM 频率 和 占空比 分别由什么决定
- 为什么某个 LED 能不能做硬件 PWM，要看引脚有没有 TIMx_CHx
- 为什么 PA1 可以做 LED17 的硬件 PWM
2. 本次实验背景
本次实验使用芯片为：
- STM32F103VB
板上 LED17 对应到 MCU 的：
- PA1
而 PA1 具备复用功能：
- TIM2_CH2
因此可以将 PA1 配置为定时器 2 的通道 2 输出脚，使用 TIM2_CH2 输出硬件 PWM，进而控制 LED17 的亮度变化。
3. 什么是 PWM
PWM，全称：
Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制）
它的核心思想是：
在一个固定周期内，通过控制高电平持续时间所占的比例，来控制输出的平均效果。
例如，一个周期为 10ms：
- 高电平持续 1ms，低电平持续 9ms，占空比为 10%
- 高电平持续 5ms，低电平持续 5ms，占空比为 50%
- 高电平持续 9ms，低电平持续 1ms，占空比为 90%
对于 LED 来说，人眼看到的不是每一个瞬间的高低电平，而是一个“平均亮度”：
- 占空比越大，通常越亮
- 占空比越小，通常越暗
4. 硬件 PWM 和软件 PWM 的区别
4.1 软件 PWM
软件 PWM 的典型做法是：
- 定时器周期性进入中断
- 在中断里手动控制 GPIO 输出高低电平
- 通过程序计算亮灭时间比例，模拟 PWM
特点：
- 实现直观
- 所有 GPIO 都可以尝试模拟
- 但 CPU 参与较多
- 中断负担更重
4.2 硬件 PWM
硬件 PWM 的典型做法是：
- 使用定时器内部的 PWM 模式
- 定时器自动产生 PWM 波形
- 通过 TIMx_CHx 对应引脚直接输出
特点：
- 波形由硬件自动产生
- CPU 不需要反复翻转 GPIO
- 更稳定、更高效
- 但只能用具备 TIMx_CHx 功能的引脚
4.3 本次实验属于
PA1 -> TIM2_CH2 -> LED17 的实验，属于：
硬件 PWM
∵ PWM 波形由 TIM2 的通道 2 直接输出到 PA1，不是通过中断手动翻转 GPIO 实现的。
5. STM32 硬件 PWM 的本质
STM32 硬件 PWM 的本质可以理解为：
因此，硬件 PWM 的核心不是普通 GPIO，而是：
- 定时器计数
- 比较寄存器
- 输出通道
6. PWM 须掌握的几个核心概念
6.1 系统时钟
系统时钟是 MCU 运行的基础时钟来源。
本次实验中，使用简单的时钟配置：
- HSI = 8MHz
也就是说，很多外设的基础时钟，都与这 8MHz 有关。
6.2 定时器时钟
定时器本身并不是凭空计数的，它的计数速度来自输入时钟。
在入门阶段，可以先简单理解成：
定时器拿到一个时钟后，经过预分频，再开始计数。
6.3 Prescaler（预分频器，PSC）
PSC 的作用是：
把输入给定时器的时钟先“减慢”
公式为：
定时器计数频率 = 定时器输入时钟 / (PSC + 1)
注意这里一定是：
PSC + 1
不是直接除以 PSC。
例如：
- 输入时钟 = 8MHz
- PSC = 7
那么：
定时器计数频率 = 8MHz / (7 + 1) = 1MHz
说明：
定时器现在每 1us 计一次数
每秒1M次
f= 1/T
6.4 Period（自动重装值，ARR）
ARR 的作用是：
决定计数器数到多少后重新从 0 开始
例如：
- ARR = 999
那么计数过程为：
0, 1, 2, … , 999
总共是 1000 个计数。
因此，一个完整 PWM 周期的计数长度为：
ARR + 1
6.5 Compare（比较值，CCR）
CCR 的作用是：
决定一个 PWM 周期中，高电平持续多长时间
在常见的 PWM1 模式下，可以简单理解为：
- 当 CNT < CCR 时，输出高电平
- 当 CNT >= CCR 时，输出低电平
因此：
- CCR 越大，高电平持续越久
- 占空比越大
6.6 计数器（CNT）
CNT 是定时器当前正在计到的值。
比如：
- 当前 CNT = 100
- 当前 CCR = 500
若采用 PWM1 模式，则因为 100 < 500，输出保持高电平。
当 CNT 继续增加，到 500 及以上后，输出会切换为低电平。
7. PWM 频率和占空比公式
7.1 PWM 频率公式
PWM 频率由下面公式决定：
PWM频率 = 定时器输入时钟 / ((PSC + 1) × (ARR + 1))
这说明：
- PSC 影响计数速度
- ARR 影响一个周期有多少个计数
- 两者共同决定 PWM 的频率
7.2 占空比公式
占空比由下面公式决定：
占空比 = CCR / (ARR + 1)
这说明：
- ARR 决定总周期长度
- CCR 决定高电平持续时间
- 两者共同决定占空比
8. 举例为什么本次实验这样配置参数
本次实验采用的参数是：
- 系统时钟：8MHz
- PSC = 7
- ARR = 999
目标是：
- 产生一个大约 1kHz 的 PWM
- 同时保留较高的占空比分辨率，便于 LED 调光更平滑
9. 参数计算过程详解
9.1 第一步：先确定系统时钟
本次实验使用最简单的内部高速时钟：
HSI = 8MHz
9.2 第二步：先决定计数频率
为了便于理解和计算，先将定时器计数频率设置为：
1MHz
为什么选 1MHz？
因为：
- 1MHz 表示每 1us 计一次数
- 时间单位直观
- 后续算周期和占空比都方便
根据公式：
定时器计数频率 = 定时器输入时钟 / (PSC + 1)
代入：
1MHz = 8MHz / (PSC + 1)
得到：
PSC + 1 = 8
PSC = 7
所以设置：
PSC = 7
9.3 第三步：确定 PWM 周期
目标 PWM 频率设为：
1kHz
也就是：
每秒 1000 个周期
每个周期 1ms
前面已经把计数频率设成了：
1MHz
即：
每 1us 计一次数
那么一个 1ms 周期内，需要计数：
1ms = 1000us
也就是：
1000 次
由于定时器从 0 开始计数，所以：
ARR = 1000 – 1 = 999
因此设置：
ARR = 999
9.4 第四步：验证 PWM 频率
将参数代入频率公式：
PWM频率 = 8MHz / ((7 + 1) × (999 + 1))
= 8MHz / (8 × 1000)
= 1kHz
所以该配置是正确的。
10. 为什么不选别的参数组合
实际上，并不是只有这一组参数能得到 1kHz PWM。
例如，也可以这样：
- PSC = 79
- ARR = 99
因为：
8MHz / (79 + 1) = 100kHz
100kHz / (99 + 1) = 1kHz
最终频率也是 1kHz。
但是这两种配置的差别在于：
配置一：PSC = 7, ARR = 999
优点：
- 计数频率 1MHz，时间分辨率高
- ARR = 999，占空比可调范围大约有 1000 档
- LED 调光更细腻
配置二：PSC = 79, ARR = 99
特点：
- 计数频率较低
- ARR = 99，占空比只有大约 100 档
- 调节会更粗一些
因此，在 LED 呼吸灯这类应用中，通常更偏向：
在 PWM 频率满足要求的前提下，让 ARR 稍大一些，从而获得更高的占空比分辨率
11. 为什么修改 CCR 就能改变 LED 亮度
假设当前：
- ARR = 999
那么一个周期总共是 1000 个计数。
情况 1：CCR = 100
占空比 = 100 / 1000 = 10%
这意味着：
- 一个周期中只有约 10% 的时间输出高电平
- LED 平均亮度较低
情况 2：CCR = 500
占空比 = 500 / 1000 = 50%
这意味着：
- 一个周期中约一半时间输出高电平
- LED 亮度中等
情况 3：CCR = 900
占空比 = 900 / 1000 = 90%
这意味着：
- 大部分时间输出高电平
- LED 平均亮度较高
因此，修改 CCR 就是在修改占空比，而占空比决定 LED 的平均亮度。
12. 为什么 PA1 必须配置为复用推挽输出
做硬件 PWM 时，PA1 不能再当普通 GPIO 使用，而要把该引脚交给定时器通道来控制。
因此必须配置为：
GPIO_MODE_AF_PP
含义为：
- AF：Alternate Function，复用功能
- PP：Push Pull，推挽输出
如果配置成普通推挽输出：
GPIO_MODE_OUTPUT_PP
那 PA1 只是一个普通 GPIO，无法输出 TIM2_CH2 的 PWM 波形。
所以这一步是硬件 PWM 成功输出的关键条件之一。
13. 为什么要使用 TIM2_CH2
因为本次 LED17 接到的是：
- PA1
而 PA1 具备的定时器通道功能是：
- TIM2_CH2
所以如果想让 LED17 走硬件 PWM，必须满足下面这个链路：
TIM2 -> CH2 -> PA1 -> LED17
也就是说，硬件 PWM 不是任意 GPIO 都能做，而是要看该引脚有没有对应的 TIMx_CHx 功能。
14. 如何判断某个 LED 能不能做硬件 PWM
判断步骤通常如下：
第一步：看原理图
确认该 LED 接到了 MCU 的哪个引脚。
第二步：看该引脚复用功能
确认该引脚是否具备：
TIMx_CHx
例如：
- PA1 -> TIM2_CH2
- PA0 -> TIM2_CH1
第三步：确认工程里能否将该引脚配置为复用输出
如果具备 TIMx_CHx，则可以尝试配置为硬件 PWM。
第四步：若没有 TIMx_CHx
则通常不能直接做硬件 PWM，只能考虑：
- 软件 PWM
- 或更换到支持 PWM 的引脚
15. 为什么本次 LED17 能做 PWM
本次实验中：
- LED17 -> PA1
- PA1 具备 TIM2_CH2
因此满足硬件 PWM 的基本条件。
虽然板级原理图中 LED17 还经过了反相器等外围电路，但这不影响：
- PA1 输出 PWM 波形
- 定时器使用 TIM2_CH2
只是可能会影响最终看到的亮暗逻辑方向。
也就是说：
- 占空比变大，可能看起来越来越亮
- 也可能因为板级反相，表现为越来越暗
但这不影响硬件 PWM 已经正确输出。
16. 为什么要选 1kHz 作为 LED PWM 频率
LED 做 PWM 调光时，频率不能太低。
如果频率过低，容易出现：
- 肉眼可见闪烁
- 视觉体验差
1kHz 是一个很常见、也很适合入门实验的频率，因为它：
- 足够高，不容易明显闪烁
- 参数容易计算
- 调试方便
当然，并不是只能选 1kHz，实际应用中还可能使用：
- 500Hz
- 2kHz
- 5kHz
但对学习阶段来说，1kHz 是一个很好的起点。
17. 一次完整的 PWM 参数设计思路
以后遇到 PWM 配置问题，可以按下面这个流程思考。
第一步：确定系统时钟
例如：
8MHz
第二步：确定目标 PWM 频率
例如：
1kHz
第三步：先选一个好理解的定时器计数频率
例如：
1MHz
这时：
PSC = 8MHz / 1MHz – 1 = 7
第四步：再根据 PWM 频率算 ARR
因为：
1MHz / 1kHz = 1000
所以：
ARR = 1000 – 1 = 999
第五步：根据占空比算 CCR
例如，若想要 50% 占空比：
CCR = 1000 × 50% = 500
这样整组参数就完整了。
18. 与本次实验相关的关键结论
18.1 参数结论
本实验设置：
- PSC = 7
- ARR = 999
可得到：
- 定时器计数频率：1MHz
- PWM 频率：1kHz
18.2 占空比调节方式
通过修改：
- CCR
即可改变占空比，从而改变 LED17 的平均亮度。
18.3 引脚配置要求
PA1 必须配置为：
- 复用推挽输出
不能配置为普通 GPIO 输出。
18.4 引脚前提
某 LED 想做硬件 PWM，必须先确认其对应引脚具有：
- TIMx_CHx
而 PA1 具备：
- TIM2_CH2
所以可以实现硬件 PWM。
19. 容易混淆的几个点
19.1 为什么公式里总是 +1
无论是：
- PSC
- ARR
都要注意，硬件计数通常是从 0 开始的。
所以：
- PSC = 7 实际表示 8 分频
- ARR = 999 实际表示一个周期共 1000 个计数
这是初学者最容易写错的地方之一。
19.2 PWM 频率和占空比不要混淆
PWM 频率由什么决定
由：
- 输入时钟
- PSC
- ARR
决定
占空比由什么决定
由：
- CCR
- ARR
决定
因此：
- 改 PSC、ARR，主要是在改 PWM 有多快
- 改 CCR，主要是在改 LED 有多亮
19.3 并不是所有 GPIO 都能直接输出硬件 PWM
只有当引脚带有：
TIMx_CHx
这类复用功能时，才适合直接做硬件 PWM。
如果没有该功能，则通常只能：
- 做普通 GPIO
- 做软件 PWM
20. 本次实验的理解模型
可以把 PWM 的参数理解成三层：
第一层：PSC
决定定时器“走得有多快”
第二层：ARR
决定“走多少步算一个周期”
第三层：CCR
决定“这个周期里有多少步保持高电平”
这个模型非常适合初学者建立整体认知。
21. 小结
本次基于 STM32F103VBT6 和 PA1/TIM2_CH2/LED17 的硬件 PWM 学习，核心结论如下：
22. 适合后续继续学习的方向
在掌握本文内容后，可以继续学习下面几个方向：
- PWM1 和 PWM2 模式的区别
- 边沿对齐模式与中心对齐模式
- 高级定时器与普通定时器的区别
- 多通道 PWM 同步输出
- 通过按键切换占空比档位
- 通过 DMA 自动修改 CCR 实现更平滑呼吸灯
- PWM 驱动蜂鸣器、电机、舵机的不同参数配置思路
