Keil MDK STM32系列(八) STM32F4基于HAL的PWM和定时器输出音频

Keil MDK STM32系列

• Keil MDK STM32系列(一) 基于标准外设库SPL的STM32F103开发
• Keil MDK STM32系列(二) 基于标准外设库SPL的STM32F401开发
• Keil MDK STM32系列(三) 基于标准外设库SPL的STM32F407开发
• Keil MDK STM32系列(四) 基于抽象外设库HAL的STM32F401开发
• Keil MDK STM32系列(五) 使用STM32CubeMX创建项目基础结构
• Keil MDK STM32系列(六) 基于HAL的ADC模数转换
• Keil MDK STM32系列(七) 基于HAL的PWM和定时器
• Keil MDK STM32系列(八) 基于HAL的PWM和定时器输出音频
• Keil MDK STM32系列(九) 基于HAL和FatFs的FAT格式SD卡TF卡读写

方式1: 通过PWM和TIM输出音频

机制

• 音频使用一个预生成的的8bit无符号数组, 采样率为8KHz
• 输出包含两部分, 一部分是TIM2产生连续的PWM, PWM分辨率设置为256, 正好对应8bit PCM采样
• 输出的第二部分是TIM3产生的定时中断, 中断的频率正好是8KHz, 每次中断都修改一次PWM的占空比
• 通过调节PWM频率可以调节输出音质, PWM频率越高音质越好(谐振频率越远离音频)
• 通过调节PWM分辨率可以调节音量, PWM分辨率越高, 音量越低

配置STM32CubeMX

选择芯片STM32F401CCU6, 创建新项目

系统时钟

• System Core -> SYS-> Debug: Serial Wire
• System Core -> RCC-> High Speed Clock (HSE): Crystal/Ceramic Resonator 启用外接高速晶振
• Clock Configuration: (配置为最高84MHz)选择外部晶振, 连接HSE和PLLCLK, 在HCLK上输入84回车, 软件会自动调节各节点倍数

PWM(使用TIM2)

• Timers -> TIM2
• Clock Source: Internel Clock, 使用系统的时钟源
  • Channel1: PWM Generation CH1
  • Counter Settings PWM频率 = 84MHz / (Perscaler + 1) / (Counter Period + 1)
    • Perscaler: 0
    • Counter Mode: Up
    • Counter Period: 255
    • Internal Clock Division(CKD): No Division
    • auto-reload preload: Enable
  • Trigger Output
    • Master/Slave Mode (MSM bit): Disable
    • Trigger Event Selection: Reset (UG bit from TIMx_EGR)
• PWM Generation Channel 1
  • Mode: PWM mode 1
  • Pulse: 0
  • Output compare perload: Enable
  • Fast Mode: Disable
  • CH Polarity: High

8KHz定时中断(使用TM3)

• Timers -> TIM3
• 勾选 Internal Clock
• Counter Settings
  • Prescaler: 0
  • Counter Mode: Up
  • Counter Period: 10499 # 10500 = 84MHz / 8KHz
  • Internal Clock Division (CKD): No division
  • auto-reload preload: Disable
• Trigger Output (TRGO) Parameters
  • Master/Slave Mode (MSM bit): Disable
  • Trigger Envent Selection: Reset
• NVIC Settings
  • TIM3 global interrupt: Enable

代码修改

通过STM32CubeMX生成代码后, 需要对main.c添加代码

/* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t pwm_buf[] = {125, 125, ..., 126, 125}; // 这里是一个长数组, 可以自己通过工具生成
uint8_t *start = pwm_buf, *end = pwm_buf, *lb = pwm_buf, *rb = (pwm_buf + 27451); // 27451是数组长度
/* USER CODE END PV */

main函数

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM2_Init();
  MX_TIM3_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_1);
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
  /* USER CODE END 2 */

  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
}

添加定时器中断处理函数

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if(htim->Instance==TIM3)
  {
    __HAL_TIM_SetCompare(&htim2, TIM_CHANNEL_1, *start++);
    if (start == rb) {
      start = lb;
    }
  }
}
/* USER CODE END 4 */

输出效果演示

https://www.bilibili.com/video/BV1pb4y1177L

方式2: 通过PWM+DMA

通过配置成DMA的方式, 可以省掉一个定时器, 并且不需要主进程介入而直接将数组赋值给PWM.

这里有个需要注意的地方, STM32F401的各个TIMx计数器位宽不同, TIM2,TIM5是32bit, 其它的都是16bit, 而STM32F103的TIMx全是16bit位宽的. 之前在这个问题上困惑了很长时间, 后来费了不少工夫测试, 加上对比其它项目代码的配置才找到原因.

在设置DMA时, DMA_HandleTypeDef.Init.PeriphDataAlignment要与TIMx的计数器位宽一致, 如果没设置成一致会导致PWM输出错误.
而MemDataAlignment要与数组的数据类型一致, 实际上也要设置成对应的位宽.

根据ST的手册如果勾选了FIFO, 可以设置为其它位宽, 系统会自动补位, 但是实际测试并不能, 无论如何调整FIFOThreshold, MemBurst, 音频的前半部分都是错误的, 只能播放后半部分. 原因待查.

配置STM32CubeMX

选择芯片STM32F401CCU6, 创建新项目

系统时钟

• System Core -> SYS-> Debug: Serial Wire
• System Core -> RCC-> High Speed Clock (HSE): Crystal/Ceramic Resonator 启用外接高速晶振
• Clock Configuration: (配置为最高84MHz)选择外部晶振, 连接HSE和PLLCLK, 在HCLK上输入84回车, 软件会自动调节各节点倍数

PWM(使用TIM3)

• Timers -> TIM3
• Internel Clock: 勾选, 使用系统的时钟源
• Channel1: PWM Generation CH1
• Counter Settings PWM频率 = 84MHz / (Perscaler + 1) / (Counter Period + 1)
  • Perscaler: 40
  • Counter Mode: Up
  • Counter Period: 255
  • Internal Clock Division(CKD): No Division
  • auto-reload preload: Enable
• Trigger Output
  • Master/Slave Mode (MSM bit): Disable
  • Trigger Event Selection: Reset (UG bit from TIMx_EGR)
• PWM Generation Channel 1
  • Mode: PWM mode 1
  • Pulse: 0
  • Output compare perload: Enable
  • Fast Mode: Disable
  • CH Polarity: High

DMA Settings: Add

• DMA Request: TIM3_CH1/Trig
• Stream: DMA1 Stream4
• Direction: Memory To Peripheral
• Priority: High
• Mode: Circular
• Increment Address: Peripheral[不勾选], Memory[勾选]
• Use Fifo: 不勾选
• Data Width: Peripheral[Half Word], Memory[Half Word]

代码修改

只需要在main.c中添加变量和启动方法

/* USER CODE BEGIN PV */
uint16_t pwm_buffer[] = {125, 125, 128, ...};
/* USER CODE END PV */

//...

MX_TIM3_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_PWM_Start_DMA(&htim3, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t *)pwm_buffer, 27452);
/* USER CODE END 2 */

在PA6上就能观察到PWM, 接上喇叭能听到输出. 这种方式因为基频8KHz就在人耳的听觉范围内, 会有持续的明显的高频声, 通过增加RC低通滤波能改善但是无法消除, 最好的方式还是将基频提升到20KHz以上, 这样基本上就不会被人耳感知了.

参考

• 详细说明了STM32的DMA工作方式 https://vivonomicon.com/2019/07/05/bare-metal-stm32-programming-part-9-dma-megamix/
• DMA+PWM的位宽讨论 https://community.st.com/s/question/0D50X0000C6bAMdSQM/hal-timers-dma-method-enforces-4bytes-alignment-why-
• 另一个位宽相关的讨论 https://community.st.com/s/question/0D50X0000B45uUx/generation-of-pwm-wave-with-dma