如何实现单片机PWM驱动全彩LED模块？

一、使用硬件

分享一个趣味的实验，单片机PWM驱动全彩LED模块，快速遍历100万种颜色。
单片机为STM32F103C8T6，三色LED模块如下图（图片来源于网络）

二、STM32CubeMx配置

配置TIM3的PWM通道1、2、3，对应引脚分别为PA6、PA7、PB0，这里的计数周期根据自己的时钟频率配置，我这里配置的PWM频率为2KHz，计算方法为，时钟频率48MHz，48分频即图中PSC的值为48-1=47为1MHz，计数周期即图中Counter Period（自动重装寄存器ARR的值）为500-1=499，则T=500/1M=500us，即频率为2000Hz.

三、PWM驱动
定时器初始化的代码不再表述，我们需要一个设置PWM占空比的函数，HAL库中，该函数为__HAL_TIM_SetCompare，对应在 stm32f1xx_hal_tim.h文件中宏定义


#define __HAL_TIM_SET_COMPARE(__HANDLE__, __CHANNEL__, __COMPARE__)
  (((__CHANNEL__) == TIM_CHANNEL_1) ? ((__HANDLE__)->Instance->CCR1 = (__COMPARE__)) :
   ((__CHANNEL__) == TIM_CHANNEL_2) ? ((__HANDLE__)->Instance->CCR2 = (__COMPARE__)) :
   ((__CHANNEL__) == TIM_CHANNEL_3) ? ((__HANDLE__)->Instance->CCR3 = (__COMPARE__)) :
   ((__HANDLE__)->Instance->CCR4 = (__COMPARE__)))


为此，可通过以下函数设置占空比，取占空比是百分数x100，即占空比为50%，则寄存器CCRx的值为50x499/100，当占空比为100%时，CCRx的值为499，即为自动重装寄存器ARR的值。关于占空比的计算，具体可查阅芯片手册。


/*******************************************************************************
  * 函数名：PWM_SetDutyCycle
  * 功  能：设置占空比
  * 参  数：Channel通道
                        Duty占空比
  * 返回值：无
  * 说  明：无
*******************************************************************************/
void PWM_SetDutyCycle(uint32_t Channel, uint16_t Duty)
{
        uint16_t u16CCR = 0;
        u16CCR = Duty * 499 / 100;
        __HAL_TIM_SetCompare(&htim3, Channel, u16CCR);
}


调用该函数，对三个通道分别设置占空比为25%、50%、75%：


        PWM_SetDutyCycle(TIM_CHANNEL_1, 25);
        PWM_SetDutyCycle(TIM_CHANNEL_2, 50);
        PWM_SetDutyCycle(TIM_CHANNEL_3, 75);
用逻辑分析仪采集三个引脚的输出如下图


上图可看出周期为500us，即频率为2kHz；
上图显示占空比为50%的高电平时间间隔为250us。其他两个占空比的时间不再测量、展示。

四、遍历颜色
三色LED模块由三种颜色红色R、绿色G、蓝色B的led组成，通过三种不同比例的颜色混合，可实现全彩显示。RGB三基色可把三种颜色从0~255划分为256种强度，从而混合组成共16777216种颜色，但如果遍历这么多种颜色显然太耗时，而且意义不大，我们只根据占空比0到100的组合，实现约103万种颜色的组合，如果每种组合延时1ms，103万种也需要17min左右时间，也是比较耗时的。
代码如下：


/*******************************************************************************
  * 函数名：RGB_ColorTraverse
  * 功  能：颜色遍历
  * 参  数：无
  * 返回值：无
  * 说  明：每一种组合，延时1ms
*******************************************************************************/
void RGB_ColorTraverse(void)
{
        uint8_t i, j, k;


        for (i =0; i < 101; i++)
        {
                PWM_SetDutyCycle(TIM_CHANNEL_1, i);//R
                for (j =0; j < 101; j++)
                {
                        PWM_SetDutyCycle(TIM_CHANNEL_2, j);//G
                        for (k =0; k < 101; k++)
                        {
                                PWM_SetDutyCycle(TIM_CHANNEL_3, k);//B
                                HAL_Delay(1);//延时1ms
                                   HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);//看门狗复位
                        }
                }
        }
}


这里采用三级for循环嵌套实现颜色遍历，HAL库延时函数延时，因为程序会一直在for循环里，所以要喂狗。
实验过程中发现，最内层for循环的颜色变化很快且闪烁太明显，应该是因为占空比从0变到100，又会突然变为0，再增大到100，如此循环；考虑改进，使占空比变到100后，再逐渐减小到0，再增大，如此循环。所以为每层for循环增加标志位，每次for循环结束则标志位取反一次，占空比根据标志位的值而确定是取循环变量的值还是（100-循环变量），代码如下：


void RGB_ColorTraverse(void)
{
        uint8_t i, j, k;       
        RGBFlag_tu uRGBFlag;
        uRGBFlag.byte = 0;
        for (i =0; i < 101; i++)
        {
                if (uRGBFlag.bt.bRedCycle)
                {
                        PWM_SetDutyCycle(TIM_CHANNEL_1, 100 - i);//R
                }else
                {
                        PWM_SetDutyCycle(TIM_CHANNEL_1, i);//R
                }               
                if (i == 100)
                {
                        uRGBFlag.bt.bRedCycle = ~uRGBFlag.bt.bRedCycle;
                }               
                for (j =0; j < 101; j++)
                {
                        if (uRGBFlag.bt.bGreenCycle)
                        {
                                PWM_SetDutyCycle(TIM_CHANNEL_2, 100 - j);//G
                        }else
                        {
                                PWM_SetDutyCycle(TIM_CHANNEL_2, j);//G
                        }               
                        if (j == 100)
                        {
                                uRGBFlag.bt.bGreenCycle = ~uRGBFlag.bt.bGreenCycle;
                        }
                        for (k =0; k < 101; k++)
                        {
                                if (uRGBFlag.bt.bBlueCycle)
                                {
                                        PWM_SetDutyCycle(TIM_CHANNEL_3, 100 - k);//B
                                }else
                                {
                                        PWM_SetDutyCycle(TIM_CHANNEL_3, k);//B
                                }               
                                if (k == 100)
                                {
                                        uRGBFlag.bt.bBlueCycle = ~uRGBFlag.bt.bBlueCycle;
                                }
                                HAL_Delay(3);
                                printf("%d,%d,%dn",i,j,k);
                                   HAL_IWDG_Refresh(&hiwdg);
                        }
                }
        }
}


实际效果，比较失望，可能是因为这种廉价的模块的问题，三个led之间的距离实际比较远，三种光不会很好的混合到一起，看起来没有混合色彩的效果（手机拍摄照片的效果更差）：


五、总结

不要买这个LED模块。