40. 全彩LED灯实验

本章讲解的实验工程目录为：固件库例程\ TIM—全彩LED灯。

学习本章需要TIM定时器章节为基础。

40.1. 全彩LED灯简介

全彩LED灯，实质上是一种把红、绿、蓝单色发光体集成到小面积区域中的LED灯，控制时对这三种颜色的灯管输出不同的光照强度， 即可混合得到不同的颜色，其混色原理与光的三原色混合原理一致。

例如，若红绿蓝灯都能控制输出光照强度为[0:255]种等级，那么该灯可混合得到使用RGB888表示的所有颜色(包括以RGB三个灯管都全灭所表示的纯黑色)。

40.2. 全彩LED灯控制原理

本教程配套开发板中的RGB灯就是一种全彩LED灯，前面介绍LED基本控制原理的时候，只能控制RGB三色灯的亮灭，即RGB每盏灯有[0:1]两种等级，因此只能组合出8种颜色。

要使用STM32控制LED灯输出多种亮度等级，可以通过控制输出脉冲的占空比来实现，见图 不同占空比的PWM。

不同占空比的PWM

示例图中列出了周期相同而占空比分别为100%、80%、50和20%的脉冲波形，假如利用这样的脉冲控制LED灯，即可控制LED灯亮灭时间长度的比例。 若提高脉冲的频率，LED灯将会高频率进行开关切换，由于视觉暂留效应，人眼看不到LED灯的开关导致的闪烁现象， 而是感觉到使用不同占空比的脉冲控制LED灯时的亮度差别。即单个控制周期内，LED灯亮的平均时间越长，亮度就越高，反之越暗。

把脉冲信号占空比分成256个等级，即可用于控制LED灯输出256种亮度，使用三种这样的信号控制RGB灯即可得到256*256*256种颜色混合的效果。 而要控制占空比，直接使用STM32定时器的PWM功能即可。

40.3. 硬件设计

本小节讲解的实验工程目录为：固件库例程\ TIM—全彩LED灯。

本实验中使用的RGB灯硬件与前面LED灯章节中的完全相同，见图 LED硬件原理图 ，这是一个RGB灯， 里面由红蓝绿三个小灯构成， 使用PWM控制时可以混合成256不同的颜色。本实验与LED灯基础章节的主要差异是软件中的控制方式。

LED硬件原理图

本开发板中设计的RGB灯控制引脚是经过仔细选择的，因为本实验的软件将使用STM32的定时器控制PWM脉冲的占空比， 然而并不是任意GPIO都具有STM32定时器的输出通道功能，所以在设计硬件时，需要根据《STM32中文数据手册》中的说明， 选择具有定时器输出通道功能的引脚来控制RGB灯，见图 LED引脚说明。

LED引脚说明

本实验中的RGB灯使用阴极分别连接到了PB5、PB0及PB1，它们分别是定时器TIM3的通道2、3、4，其中PB5用于定时器输出通道时，需要使用重定义功能。

40.4. 软件设计

本工程中关于RGB灯控制的代码都存储在“bsp_color_led.c”及“bsp_ color_led.h”文件，这些文件也可根据您的喜好命名， 它们不属于STM32标准库的内容，是由我们自己根据应用需要编写的。

40.4.1. 编程要点

1) 初始化RGB灯使用的GPIO；

2) 配置定时器输出PWM脉冲；

3) 编写修改PWM脉冲占空比大小的函数；

4) 测试配置的定时器脉冲控制周期是否会导致LED灯明显闪烁；

40.4.2. 代码分析

40.4.2.1. LED灯硬件相关宏定义

为方便迁移代码适应其它硬件设计，实验中把硬件相关的部分使用宏定义到bsp_color_led.h文件中， 使用不同硬件设计时，修改该文件即可，见代码清单:全彩LED-1。

代码清单:全彩LED-1硬件相关宏定义（bsp_color_led.h文件）
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/********************定时器通道**************************/

#define   COLOR_TIMx                     TIM3

#define   COLOR_TIM_APBxClock_FUN        RCC_APB1PeriphClockCmd
#define   COLOR_TIM_CLK                  RCC_APB1Periph_TIM3
#define   COLOR_TIM_GPIO_CLK   (RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_AFIO)

//红灯的引脚需要重映射
#define   COLOR_GPIO_REMAP_FUN()   GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE);

/************红灯***************/
#define  COLOR_RED_TIM_LED_PORT               GPIOB
#define  COLOR_RED_TIM_LED_PIN                GPIO_Pin_5

#define  COLOR_RED_TIM_OCxInit                TIM_OC2Init  //通道初始化函数
#define  COLOR_RED_TIM_OCxPreloadConfig       TIM_OC2PreloadConfig //通道重载配置函数

//通道比较寄存器，以TIMx->CCRx方式可访问该寄存器，设置新的比较值，控制占空比
//以宏封装后，使用这种形式：COLOR_TIMx->COLOR_RED_CCRx ，可访问该通道的比较寄存器
#define  COLOR_RED_CCRx                         CCR2

/************绿灯***************/

#define  COLOR_GREEN_TIM_LED_PORT               GPIOB
#define  COLOR_GREEN_TIM_LED_PIN                GPIO_Pin_0

#define  COLOR_GREEN_TIM_OCxInit                TIM_OC3Init//通道初始化函数
#define  COLOR_GREEN_TIM_OCxPreloadConfig       TIM_OC3PreloadConfig //通道重载配置函数

//通道比较寄存器，以TIMx->CCRx方式可访问该寄存器，设置新的比较值，控制占空比
//以宏封装后，使用这种形式：COLOR_TIMx->COLOR_GREEN_CCRx，可访问该通道的比较寄存器
#define  COLOR_GREEN_CCRx                       CCR3

/************蓝灯***************/
#define   COLOR_BLUE_TIM_LED_PORT             GPIOB
#define   COLOR_BLUE_TIM_LED_PIN              GPIO_Pin_1

#define   COLOR_BLUE_TIM_OCxInit              TIM_OC4Init  //通道初始化函数
#define   COLOR_BLUE_TIM_OCxPreloadConfig    TIM_OC4PreloadConfig  //通道重载配置函数

//通道比较寄存器，以TIMx->CCRx方式可访问该寄存器，设置新的比较值，控制占空比
//以宏封装后，使用这种形式：COLOR_TIMx->COLOR_BLUE_CCRx ，可访问该通道的比较寄存器
#define   COLOR_BLUE_CCRx                      CCR4

这些宏定义非常丰富，包括使用的定时器编号COLOR_TIMx、定时器时钟使能库函数COLOR_TIM_APBxClock_FUN和引脚重映射操作COLOR_GPIO_REMAP_FUN。

控制各个LED灯时，每个颜色占用一个通道，这些与通道相关的也使用宏封装起来了，如：端口号COLOR_xxx_TIM_LED_PORT、 引脚号COLOR_xxx_TIM_LED_PIN、通道初始化库函数COLOR_xxx_TIM_OCxInit、 通道重载配置库函数COLOR_xxx_TIM_OCxPreloadConfig以及通道对应的比较寄存器名COLOR_xxx_CCRx。其中xxx宏中的xxx指RED、GREEN和BLUE三种颜色。

由于部分操作使用宏封装后不够直观，此处着重强调一下与通道相关的寄存器宏。为方便修改定时器某通道输出脉冲的占空比， 初始化定时器后，可以直接使用形如“TIM3->CCR2=0xFFFFFF”的代码修改定时器TIM3通道2的比较寄存器中的数值，使用本工程中的宏封装后， 形式改为“COLOR_TIMx->COLOR_RED_CCRx=0xFFFFFF”。

40.4.2.2. 初始化GPIO

首先，初始化用于定时器输出通道的GPIO，见 代码清单:全彩LED-2。

代码清单:全彩LED-2 初始化GPIO
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/**
* @brief  配置COLOR_TIMx复用输出PWM时用到的I/O
* @param  无
* @retval 无
*/
static void COLOR_TIMx_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    /* GPIO clock enable */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(COLOR_TIM_GPIO_CLK, ENABLE);

    /*IO设置*/
    COLOR_GPIO_REMAP_FUN();

    /* 配置LED灯用到的引脚 */
    //红
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  COLOR_RED_TIM_LED_PIN ;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;       // 复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

    GPIO_Init(COLOR_RED_TIM_LED_PORT, &GPIO_InitStructure);

    //绿
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  COLOR_GREEN_TIM_LED_PIN ;
    GPIO_Init(COLOR_GREEN_TIM_LED_PORT, &GPIO_InitStructure);

    //蓝
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  COLOR_BLUE_TIM_LED_PIN ;
    GPIO_Init(COLOR_BLUE_TIM_LED_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

与LED灯的基本控制不同，由于本实验直接使用定时器输出通道的脉冲信号控制LED灯，此处代码把GPIO相关的引脚都配置成了复用推挽输出模式。 其中由于红灯使用的引脚需要用到第二功能，本代码使用COLOR_GPIO_REMAP_FUN()进行了该引脚的功能重定义操作。

40.4.2.3. 定时器PWM配置

接着配置定时器输出PWM的工作模式，见 代码清单:全彩LED-3。

代码清单:全彩LED-3 定时器PWM配置
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/**
* @brief  配置COLOR_TIMx输出的PWM信号的模式，如周期、极性
* @param  无
* @retval 无
*/
static void COLOR_TIMx_Mode_Config(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;

    /* 设置TIM CLK 时钟 */
    //使能COLOR_TIMx时钟
    COLOR_TIM_APBxClock_FUN(COLOR_TIM_CLK, ENABLE);

    /* 基本定时器配置 */
    //当定时器从0计数到255，即为256次，为一个定时周期
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 255;
    //设置预分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 1999;
    //设置时钟分频系数：不分频(这里用不到)
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1 ;
    //向上计数模式
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(COLOR_TIMx, &TIM_TimeBaseStructure);

    /* PWM模式配置 */
    //配置为PWM模式1
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    //使能输出
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    //设置初始PWM脉冲宽度为0
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
    //当定时器计数值小于CCR_Val时为低电平
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;

    //使能通道和预装载
    COLOR_RED_TIM_OCxInit(COLOR_TIMx, &TIM_OCInitStructure);
    COLOR_RED_TIM_OCxPreloadConfig(COLOR_TIMx, TIM_OCPreload_Enable);

    //使能通道和预装载
    COLOR_GREEN_TIM_OCxInit(COLOR_TIMx, &TIM_OCInitStructure);
    COLOR_GREEN_TIM_OCxPreloadConfig(COLOR_TIMx, TIM_OCPreload_Enable);

    //使能通道和预装载
    COLOR_BLUE_TIM_OCxInit(COLOR_TIMx, &TIM_OCInitStructure);
    COLOR_BLUE_TIM_OCxPreloadConfig(COLOR_TIMx, TIM_OCPreload_Enable);

    //使能COLOR_TIMx重载寄存器ARR
    TIM_ARRPreloadConfig(COLOR_TIMx, ENABLE);

    //使能定时器
    TIM_Cmd(COLOR_TIMx, ENABLE);
}

定时器配置的主体跟前面《PWM互补输出实验》小节介绍的实验类似，关键代码已用红色字体加粗显示。

本配置初始化了控制RGB灯用的定时器，它被配置为向上计数，TIM_Period被配置为255，即定时器每个时钟周期计数器加1，计数至255时溢出， 从0开始重新计数；而代码中的PWM通道配置，当计数器的值小于输出比较寄存器CCRx的值时，PWM通道输出低电平，点亮LED灯。 所以上述代码配置把输出脉冲的单个周期分成了256份（注意区分定时器的时钟周期和输出脉冲周期）， 而输出比较寄存器CCRx配置的值即该脉冲周期内LED灯点亮的时间份数，所以修改CCRx的值，即可控制输出[0:255]种亮度等级。

关于定时器中的TIM_Prescaler分频配置，只要让它设置使得PWM控制脉冲的频率足够高，让人看不出LED灯闪烁即可，您可以亲自修改使用其它参数测试。

40.4.2.4. 颜色混合

初始化完定时器和PWM输出通道后，再编写用于设置混合颜色的函数， 见 代码清单:全彩LED-4。

代码清单:全彩LED-4 颜色混合
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#define   COLOR_TIMx               TIM3

#define  COLOR_RED_CCRx            CCR2
#define  COLOR_GREEN_CCRx          CCR3
#define  COLOR_BLUE_CCRx           CCR4

/**
* @brief  设置RGB LED的颜色
* @param  rgb:要设置LED显示的颜色值格式RGB888
* @retval 无
*/
void SetRGBColor(uint32_t rgb)
{
    //根据颜色值修改定时器的比较寄存器值
    COLOR_TIMx->COLOR_RED_CCRx = (uint8_t)(rgb>>16);      //R
    COLOR_TIMx->COLOR_GREEN_CCRx = (uint8_t)(rgb>>8);   //G
    COLOR_TIMx->COLOR_BLUE_CCRx = (uint8_t)rgb;           //B
}

/**
* @brief  设置RGB LED的颜色
* @param  r\g\b:要设置LED显示的颜色值
* @retval 无
*/
void SetColorValue(uint8_t r,uint8_t g,uint8_t b)
{
    //根据颜色值修改定时器的比较寄存器值
    COLOR_TIMx->COLOR_RED_CCRx = r;
    COLOR_TIMx->COLOR_GREEN_CCRx = g;
    COLOR_TIMx->COLOR_BLUE_CCRx = b;
}

本工程提供SetRGBColor和SetColorValue这两个函数用于设置RGB灯的颜色值，这两个函数功能和原理都一样，只是输入参数格式不同，方便使用不同格式的颜色值。

在代码层面，控制RGB灯的颜色实质就是控制各个PWM通道输出脉冲的占空比，而占空比可以通过设置定时器相应通道的输出比较寄存器值修改， 又因为定时器已经把单个控制脉冲周期分成[0:255]份，控制时只要把RGB888各通道的颜色值直接赋予给输出比较寄存器即可。

40.4.2.5. 主函数

代码清单:全彩LED-5 主函数
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#define SOFT_DELAY() Delay(0xFFFFFF);

void Delay(__IO u32 nCount);

/**
* @brief  主函数
* @param  无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
    /* 初始化LED灯 */
    COLOR_TIMx_LED_Init();

    while (1) {
        //显示各种颜色
        SetRGBColor(0x8080ff);
        SOFT_DELAY();

        SetRGBColor(0xff8000);
        SOFT_DELAY();

        SetRGBColor(0xffc90e);
        SOFT_DELAY();

        SetColorValue(181,230,29);
        SOFT_DELAY();

        SetColorValue(255,128,64);
        SOFT_DELAY();

    }
}

void Delay(__IO uint32_t nCount)   //简单的延时函数
{
    for (; nCount != 0; nCount--);
}

main函数中直接调用了COLOR_TIMx_LED_Init函数，而该函数内部又直接调用了前面讲解的GPIO和PWM配置函数：COLOR_TIMx_GPIO_Config和COLOR_TIMx_Mode_Config。 初始化完成后，在while循环中调用SetRGBColor和SetColorValue切换RGB灯显示的颜色。

40.4.3. 下载验证

编译并下载本程序到开发板，给开发板上电复位，可看到RGB彩灯显示不同的色彩。

40.4.4. 课后练习

1、大幅增大实验中定时器的分频因子TIM_Prescaler，查看实验现象。