[PWMv2] 快速入门

引言

PWMV2外设是专为先楫HPM6EXX及其后续系列微控制器（MCU）设计的先进PWM模块，提供了高效、灵活的脉宽调制功能。

本指南旨在帮助开发者快速掌握如何使用 PWMV2 外设进行编程和应用开发。本文内容注重简洁明了，旨在让读者轻松理解关键概念和基本操作。对于更高级的功能和详细配置，请参阅后续的系列文档以获取深入指导。

PWMV2系列文章主要从以下几个方向介绍先楫PWM外设的应用方法

• PWM快速入门

• PWM同步方法

• PWM移相方法

• PWM固定占空比修改频率方法

• PWM斩波功能

• PWM触发和中断管理

• PWM故障保护和强制输出功能

主要功能

• 波形输出
  • 中心对称PWM
  • 边沿对齐PWM（左侧边沿，右侧边沿）
  • Burst输出，指定输出多少个PWM脉冲后，pwm停止输出，最大支持65535个脉冲
  • 互补PWM输出，带死区控制
  • 故障保护功能，支持同步和异步保护
  • 强制输出功能
  • 输入捕获功能
  • 支持触发adc采样
  • 支持触发sigma-delta adc采样
  • 支持触发编码器采样
  • 支持PWM同步功能
  • 支持PWM移相功能
  • PWM中断和DMA功能

特色功能

• 通用计算单元
  • 根据dac的输入值或者当前计数器值，计数器重载值以及预设的参数计算出一个结果，用于更新比较器的值
  • 使用硬件计算相关参数，运算速度快
  • 支持PWM占空比硬件限幅
  • 支持PWM频率硬件限幅
• 支持关键寄存器加锁
• 支持调试模式
  • 使用调试器进行调试时可以设置PWM输出为配置的电平状态
• 高精度PWM

进阶篇

在准备PWM（脉宽调制）系列的高级功能配置文档时，我们重点关注以下几个关键特性：

1. PWM信号同步
   同步PWM信号确保了多个PWM通道之间或与外部时钟和事件的时间一致性。对于多相系统中的精确相位对齐至关重要。

2. PWM信号移相
   移相技术允许调整PWM信号相对于参考点或其他PWM信号的相位角。这对于三相电机控制和其他需要精密相位调节的应用尤为重要。通过硬件或软件实现的移相可以提供灵活且精确的控制。

3. 固定占空比下的频率调整
   有时应用需求保持固定的占空比，同时调整PWM信号的频率。这种配置要求PWM生成器能够精准地维持设定的占空比，即使频率发生变化。

4. 事件驱动与中断管理
   高效的事件检测和中断触发机制使得PWM控制器能够在特定事件发生时即时响应，如周期结束或比较匹配。良好的事件和中断管理是实现实时操作的关键，提升了系统的响应速度和整体效率。

5. 斩波功能
   PWM斩波将连续的PWM信号分割成一系列短脉冲，以降低音频噪声或优化电源效率。通过调整PWM信号的开启和关闭时间来实施斩波，为某些应用场景提供了额外的优势。

6. 故障保护和强制输出功能

   • PWMv2模块提供了全面的故障保护机制，能够在检测到异常情况时迅速采取措施，防止潜在的硬件损坏或危险发生。主要特性包括同步和异步故障输入，故障响应模式，故障恢复机制。
   • 强制输出功能允许用户在必要时直接控制PWM输出的状态，而不依赖于正常的PWM波形生成逻辑。可提供硬件强制输出和软件强制输出。

时钟配置

先楫PWM的时钟和电机系统共用一个时钟源，因此不需要单独进行PWM系统的时钟分频设置，简化用户的设计。使用如下接口可以获取PWM的频率

freq = clock_get_frequency(clock_mot0);

引脚配置

使用PWM输出，需要配置引脚的功能为PWM，代码如下所示,设置PE08引脚功能为PWM1的P0引脚：

HPM_IOC->PAD[IOC_PAD_PE08].FUNC_CTL = IOC_PE08_FUNC_CTL_PWM1_P_0;

影子寄存器

影子寄存器包含一组与工作寄存器相对应的寄存器，这些寄存器可以被直接读写，但其内容不会立即生效。只有当满足特定条件时，影子寄存器中的值才会被复制到相应的工作寄存器中，从而对PWM输出产生影响。
在修改影子寄存器之前，需要先解锁它们。这通常通过向UNLOCK寄存器写入一个特定的密钥来完成。
修改完成后，可以通过设置锁定位来重新锁定影子寄存器，防止意外更改。

• 每个PWMV2外设含有28个独立的影子寄存器，可关联到PWMV2的4个通道的任意通道中，在特定的时机将影子寄存器的值更新到工作寄存器中。

• 影子寄存器可用于配置 reload补偿值、compare、通用计算单元补偿值以及私有计算单元门限补偿值。

• 影子寄存器在一定程度上保证了多数据更新的一致性。更新影子寄存器如下

  pwmv2_enable_shadow_lock_feature(PWM);
  pwmv2_shadow_register_unlock(PWM);
  // set shadow registers
  pwmv2_shadow_register_lock(PWM);

• 在更新时机选择为软件方式更新的情况下，影子寄存器中的值可以通过软件触发更新到工作寄存器中

  pwmv2_issue_shadow_register_lock_event(PWM);

生效时机

• 输出极性取反配置更新
  • 软件更新
  • reload值重载更新
• fault的恢复时机
  • 立即恢复（在PWMV2时钟的下一个周期）
  • reload值重载恢复
  • FAULT_REC_SEL选择的触发信号恢复
  • 软件写入FAULT_CLEAR寄存器恢复
• force mode更新至工作寄存器时机
  • 软件更新
  • 指定compare值更新
  • reload值重载更新
  • FORCE_TRIG_SEL选中的输入信号更新
• force mode工作时机
  • 立刻生效
  • reload值重载时生效
  • FORCE_ACT_SEL选择的触发信号到来生效
  • 关闭force mode
• 通道reload值更新时机
  • 软件更新
  • 指定的compare值更新
  • reload值重载时更新
  • RLD_TRIG_SEL的输入信号到来更新
• 比较点compare值更新时机
  • 软件更新
  • 立即更新（在pwmv2时钟的下一个周期）
  • 关联计数器reload值重载更新
  • CMP_TRIG_SEL选择的触发源信号到来更新
  • RLD_CMP_SEL0选择的比较值与计数值匹配时更新
  • RLD_CMP_SEL1选择的比较值与计数值匹配时更新
• 计数器数值更新时机
  • 当选定的触发源信号到来时，将通用计算单元的值更新到计数器值

PWMV2外部输入与对外输出

• 外部输入

  • QEO输出的数据，用来硬件生成SPWM或者SVPWM波形
  • 来自普通IO的输入捕获信号
  • PWM[x]_TRIG_IN[x]输入进来的硬件信号。PWMV2可以通过truggermux将支持的外部信号引入PWMV2模块中，用作触发输入

• 对外输出

  • PWMV2支持匹配compare值向外部输出电平，在匹配compare值后，拉高电平，在关联的通道计数器到达reload值后，清除。
    信号需要通过triggermux的PWM[x]TRGO[x]向外进行输出。

PWM生成

PWMV2计数器是PWM模块的核心组件之一，它决定了PWM信号的时间基准和波形特性。

• 计数器的基本概念

  • 计数模式：HPM6E00的PWMv2仅提供上升计数模式，即计数器从0开始递增直到达到预设的最大值（重载值），然后重新从0开始。
  • 周期：计数器的周期由重载值决定

• 计数器的主要功能

  • 时间基准：为PWM信号生成提供时间参考，决定了PWM信号的周期和占空比。
  • 事件触发：当计数值匹配某个比较值时，可以触发中断或其他事件，如改变PWM输出状态或启动其他外设操作。
  • 重载机制：当计数器到达最大值时会发生重载事件，此时计数器会恢复到0，并可以根据需要更新某些寄存器的内容。

PWMV2 支持 4 个 PWM 生成子模块，每个子模块包含一个 32 位计数器和 4 个 32 位比较值，并支持输出 2路独立或者 1 对互补的 PWM 输出，计数器的值和比较值的关系，决定了 初始 PWM 的输出波形。
尽管某些MCU的计数器支持上升、下降及双向计数模式，HPM系列MCU中的PWMv2模块只提供上升计数功能。这种设计选择不仅简化了PWM信号的生成过程，而且在性能和功能性方面丝毫不逊色于其他复杂计数模式的MCU，甚至在某些方面展现出更强的优势。下文会通过中心对齐PWM的配置，说明上升计数在性能上没有任何问题。

为了帮助开发者快速上手，以下将重点介绍一些关键配置项，使PWM外设能够迅速投入工作。对于更复杂的定制化需求，参考进阶篇获取详细指导。

• 每一个PWM外设有四个计数器，每个计数器有cmp0-cmp3四个比较器。一般情况下，cmp0和cmp1，cmp2和cmp3成对使用输出CHN0-1两路PWM。

  • 因为CHN0-1两路PWM共用一个计数器，所以这两路PWM频率一致
  • 互补PWM输出时候，CHN0-1成对使用，cmp0-cmp1有效，cmp2-cmp3无效
  • cmp0的值为a，cmp1的值为b，计数器的重载值为T，a和b的值可以在0-2T之间配置，组成各种不同的波形。一般情况下a和b的值在0-T之间配置，且a的值小于b即可满足基本需求。此时当计数器的值在a和b之间时（包含a和b）输出高电平，其他情况输出低电平。
  • 四点模式下，CHN0的电平变化由a、b、c、d两组点位决定，按照两点模式下大小关系生成对应的波形，再根据预设的PWM_LOGIC寄存器所设置的模式将两组波形进行逻辑组合后输出。CHN1此时可使用互补模式进行输出。
• 为了保证比较寄存器和计数器更新的一致性，使用影子寄存器更新实际工作用的寄存器。当选择的影子寄存器更新时刻匹配时，影子寄存器的值会被更新到实际工作用的寄存器

代码配置

一般情况下，遵守如下流程就可以正确配置PWM输出波形

1. 调用deinit函数复位PWMV2外设
2. 解锁PWM影子寄存器
3. 配置影子寄存器的值
4. 计数器选择需要使用的影子寄存器（也可以选择值来自于计算单元）。此时选择的影子寄存器中的值就是计数器的重载值。
5. 设置计数器重载值生效的时刻
   如下代码设置生效时刻为reload点，这也是常用的影子寄存器生效时刻配置。

   pwmv2_set_reload_update_time(PWM, pwm_counter_0, pwm_reload_update_on_reload);

6. 选择比较单元使用的影子寄存器（也可以选择值来自计算单元）
7. 开启PWM输出

   pwmv2_channel_enable_output(PWM, BOARD_APP_PWM_OUT1);

8. 开启定时器

   pwmv2_enable_counter(PWM, pwm_counter_0);

9. 通过影子寄存器更新占空比或者频率

   pwmv2_shadow_register_unlock(PWM);
   pwmv2_set_shadow_val(PWM, PWMV2_SHADOW_INDEX(1), reload - duty, 0, false);
   pwmv2_issue_shadow_register_lock_event(PWM)

中心对齐PWM

中心对齐的PWM（脉宽调制）波形因其对称性而被广泛应用于电机控制、音频信号处理等领域。与边缘对齐PWM不同，中心对齐PWM在一个周期内的高电平和低电平时间是关于周期中点对称分布的。

• 影子寄存器方法

  为了生成中心对齐的PWM波形，可以通过配置PWM模块中的两个比较单元来实现。具体来说，需要设置两个影子寄存器，分别对应于PWM波形的上升沿和下降沿位置。通过将这两个寄存器值设为以下表达式，可以确保PWM波形的中心对齐：

  • 上升沿位置（即PWM波形开始变为高电平的位置）：

    \text{CMP0} = \frac{\text{Reload} - \text{Duty}}{2}

  • 下降沿位置（即PWM波形恢复为低电平的位置）：

    \text{CMP1} = \frac{\text{Reload} + \text{Duty}}{2}

  其中：

  • Reload 是PWM周期结束时重新加载的计数值，决定了PWM的频率。
  • Duty 是PWM的占空比，表示高电平持续时间对应的计数值。

  上述配置确保了PWM信号在一个周期内的高电平和低电平时间是对称分布的，从而产生精确的中心对齐波形。这种方法不仅提高了PWM输出的精度，而且对于降低电磁干扰（EMI）和提高系统的整体性能具有重要作用。

  此外，当调整Duty值以改变PWM占空比时，CMP0 和 CMP1 会相应地更新，保持波形始终关于周期中点对齐。这使得即使在动态调整占空比的情况下，也能维持波形的对称性和稳定性。

• 计算单元方法
  使用影子寄存器生成中心对称的波形，需要修改两个寄存器，如果想只修改一个值就生成中心对称PWM，可以使用计算单元进行操作。

  • Cal_t_index, 从4个计数器计算单元输出值(reload_new)中选择一个
  • Cal_in_index,从4个dac输入值和4个计数器当前值中选择一个
  • Cal_in_off从28个shadow寄存器中选择一个作为偏移量，选择后四个为0，无偏移。
  • Cal_lim_up/cal_lim_lo，也是从28个shadow寄存器中选择一个作为计算上下限的偏移量
  • Cal_lu_en/cal_ll_en是上下限使能位
  • 以_param结尾的是五位有符号参数，所有从shadow寄存器中选的数都作为有符号数处理。
  • 下图中圆圈中的X或者+代表当前运算时乘法或者加法
    

  所以cal_t_index选择当前使用的计数器，cal_t_param配置为4，此时相当于reload/2，cal_in_index选择dac输入，此时CMP1对应的计算单元值cal_d_param配置为-4，CMP2对应的计算单元的值cal_d_param配置为+4。dac的值配置为duty即可。

边沿对齐PWM

边沿对齐PWM（脉宽调制）是一种常见的波形生成方式，广泛应用于各种控制和调节系统中。与中心对齐PWM不同，边沿对齐PWM的高电平或低电平时间不是关于周期中点对称分布的，而是相对于一个固定的边沿（上升沿或下降沿）进行调整。这种方式简化了硬件设计，并且在某些应用中提供了更好的灵活性。

• 左边沿对齐
  左边沿对齐PWM是指PWM波形的每个周期都从同一个固定的时间点开始，即所有周期的上升沿是同步的。在这个模式下，占空比的变化只影响PWM波形的结束位置（下降沿），而起始位置保持不变。
  所以CMP0配置为0，CMP1配置为占空比即可

• 右边沿对齐

  右边沿对齐PWM则是在每个周期结束时保持同步，即所有周期的下降沿是同步的。在这种模式下，占空比的变化会影响PWM波形的开始位置（上升沿），而结束位置保持不变。

  \text{CMP0} = \text{Reload} - \text{Duty}

  \text{CMP1} = \text{Reload}

结语

本文提供了从硬件功能介绍到软件实现的一整套流程，帮助开发者快速上手HPM芯片PWMV2外设的使用。希望这些信息能够为你的项目提供有价值的指导。一旦掌握了基础，就可以探索更复杂的PWM应用，比如电机控制、电源等。不同硬件平台的PWM实现细节可能会有所不同，但HPM系列芯片提供了功能强大的PWM外设实现各种复杂功能。同时也可以参考我们提供的例程以及解决方案深入了解PWMV2的使用方法。希望这些信息能帮助你快速入门PWM技术。如果有特定的应用场景，可以通过留言进行讨论，以便给出更加详细的建议。