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。

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。

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。

本实验中的RGB灯使用阴极分别连接到了PF6、PF7及PF8，它们分别是定时器TIM10、11、13的通道1。在本硬件设计方案中三个引脚使用了不同的定时器， 它会给设计程序时会带来不便，若是在硬件资源分配充足的情况下，建议这三个控制引脚使用同一个定时器的不同通道。

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）

/*
！！！！！！！！！！！！！！！！！！
本工程的LED灯各通道使用的不是同一个定时器
设计硬件时建议使用同一个定时器来控制三盏灯，简化代码
若使用的硬件是同一个定时器，需要调整源代码和头文件，不能直接修改宏来实现
特别是定时器初始化部分。
！！！！！！！！！！！！！！！！！！
*/
/********************定时器通道**************************/
#define COLOR_TIM_GPIO_CLK             (RCC_AHB1Periph_GPIOF)

/************红灯***************/
#define COLOR_RED_TIM                       TIM10
#define COLOR_RED_TIM_CLK                   RCC_APB2Periph_TIM10
#define COLOR_RED_TIM_APBxClock_FUN        RCC_APB2PeriphClockCmd
/*计算说明见c文件*/
/*部分通用定时器的时钟为HCLK/4，部分为HCLK/2，注意要把三个通道的定时器频率配置为一致*/
#define COLOR_RED_TIM_PRESCALER    (((SystemCoreClock)/1000000)*30-1)

/************绿灯***************/
#define COLOR_GREEN_TIM                       TIM11
#define COLOR_GREEN_TIM_CLK                   RCC_APB2Periph_TIM11
#define COLOR_GREEN_TIM_APBxClock_FUN        RCC_APB2PeriphClockCmd
/*部分通用定时器的时钟为HCLK/4，部分为HCLK/2，注意要把三个通道的定时器频率配置为一致*/
#define COLOR_GREEN_TIM_PRESCALER   (((SystemCoreClock)/1000000)*30-1)

/************蓝灯***************/
#define COLOR_BLUE_TIM                        TIM13
#define COLOR_BLUE_TIM_CLK                  RCC_APB1Periph_TIM13
#define COLOR_BLUE_TIM_APBxClock_FUN        RCC_APB1PeriphClockCmd
/*部分通用定时器的时钟为HCLK/4，部分为HCLK/2，注意要把三个通道的定时器频率配置为一致*/
#define COLOR_BLUE_TIM_PRESCALER
SystemCoreClock/2)/1000000)*30-1)



/************红灯***************/

#define COLOR_RED_PIN                  GPIO_Pin_6
#define COLOR_RED_GPIO_PORT            GPIOF
#define COLOR_RED_PINSOURCE           GPIO_PinSource6
#define COLOR_RED_AF                    GPIO_AF_TIM10

#define  COLOR_RED_TIM_OCxInit       TIM_OC1Init            //通道初始化函数
#define  COLOR_RED_TIM_OCxPreloadConfig       TIM_OC1PreloadConfig //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                         CCR1

/************绿灯***************/
#define COLOR_GREEN_PIN                  GPIO_Pin_7
#define COLOR_GREEN_GPIO_PORT            GPIOF
#define COLOR_GREEN_PINSOURCE           GPIO_PinSource7
#define COLOR_GREEN_AF                    GPIO_AF_TIM11

#define  COLOR_GREEN_TIM_OCxInit          TIM_OC1Init       //通道初始化函数
#define  COLOR_GREEN_TIM_OCxPreloadConfig     TIM_OC1PreloadConfig //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                       CCR1

/************蓝灯***************/
#define COLOR_BLUE_PIN                  GPIO_Pin_8
#define COLOR_BLUE_GPIO_PORT            GPIOF
#define COLOR_BLUE_PINSOURCE            GPIO_PinSource8
#define COLOR_BLUE_AF                   GPIO_AF_TIM13

#define   COLOR_BLUE_TIM_OCxInit      TIM_OC1Init       //通道初始化函数
#define   COLOR_BLUE_TIM_OCxPreloadConfig    TIM_OC1PreloadConfig  //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                      CCR1

这些宏定义非常丰富，包括使用的定时器编号COLOR_xxx_TIMx和定时器时钟使能库函数COLOR_xxx_TIM_APBxClock_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“TIM10->CCR1=0xFFFFFF”的代码修改定时器TIM10通道1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_RED_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

/**
* @brief  配置TIM复用输出PWM时用到的I/O
* @param  无
* @retval 无
*/
static void TIMx_GPIO_Config(void)
{
    /*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    /*开启LED相关的GPIO外设时钟*/
    RCC_AHB1PeriphClockCmd ( COLOR_TIM_GPIO_CLK, ENABLE);

    GPIO_PinAFConfig(COLOR_RED_GPIO_PORT,COLOR_RED_PINSOURCE,COLOR_RED_AF);
    GPIO_PinAFConfig(COLOR_GREEN_GPIO_PORT,COLOR_GREEN_PINSOURCE,COLOR_GREEN_AF);
    GPIO_PinAFConfig(COLOR_BLUE_GPIO_PORT,COLOR_BLUE_PINSOURCE,COLOR_BLUE_AF);

    /*COLOR_LED1*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = COLOR_RED_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;

    GPIO_Init(COLOR_RED_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /*COLOR_LED2*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = COLOR_GREEN_PIN;
    GPIO_Init(COLOR_GREEN_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    /*COLOR_LED3*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = COLOR_BLUE_PIN;
    GPIO_Init(COLOR_BLUE_GPIO_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，后面将使用定时器控制引脚进行PWM输出。

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

/**
* @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 TIM_Mode_Config(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;

    COLOR_RED_TIM_APBxClock_FUN(COLOR_RED_TIM_CLK,ENABLE);
    COLOR_GREEN_TIM_APBxClock_FUN(COLOR_GREEN_TIM_CLK,ENABLE);
    COLOR_BLUE_TIM_APBxClock_FUN(COLOR_BLUE_TIM_CLK,ENABLE);


    /*注意要把三个通道的定时器频率配置为一致*/

    /* 累计 TIM_Period个后产生一个更新或者中断*/
    //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 = 256-1;

    // APB1定时器时钟源TIMxCLK = 2 * PCLK1
    //        PCLK1 = HCLK / 4
    //        => TIMxCLK = HCLK / 2 = SystemCoreClock /2
    // 定时器频率为 = TIMxCLK/(TIM_Prescaler+1) = (SystemCoreClock /2)/((SystemCoreClock/2)/1000000)*30 = 1000000/30 = 1/30MHz


    //APB2定时器时钟源TIMxCLK = 2 * PCLK2
    //        PCLK2 = HCLK / 2
    //        => TIMxCLK = HCLK  = SystemCoreClock
    // 定时器频率为 = TIMxCLK/(TIM_Prescaler+1) = (SystemCoreClock )/((SystemCoreClock)/1000000)*30 = 1000000/30 = 1/30MHz


    /*基本定时器配置TIM_Prescaler根据效果来设置，中断周期小 灯闪烁快，大则闪烁缓慢*/

    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = COLOR_RED_TIM_PRESCALER;
    //设置时钟分频系数：不分频(这里用不到)
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1 ;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //向上计数模式

    // 初始化定时器TIMx
    TIM_TimeBaseInit(COLOR_RED_TIM, &TIM_TimeBaseStructure);


    /*基本定时器配置TIM_Prescaler根据效果来设置即可，中断周期小
    灯闪烁快，大则闪烁缓慢*/
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = COLOR_GREEN_TIM_PRESCALER;
    // 初始化定时器TIMx
    TIM_TimeBaseInit(COLOR_GREEN_TIM, &TIM_TimeBaseStructure);

    /*基本定时器配置TIM_Prescaler根据效果来设置即可，中断周期小
    灯闪烁快，大则闪烁缓慢*/
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = COLOR_BLUE_TIM_PRESCALER;
    // 初始化定时器TIMx
    TIM_TimeBaseInit(COLOR_BLUE_TIM, &TIM_TimeBaseStructure);

    /*PWM模式配置*/
    /* PWM1 Mode configuration: Channel1 */
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //配置为PWM模式1
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //使能输出
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;             //设置初始PWM脉冲宽度为0
    //当定时器计数值小于CCR_Val时为低电平LED灯亮
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;


    //使能通道
    COLOR_RED_TIM_OCxInit(COLOR_RED_TIM, &TIM_OCInitStructure);
    /*使能通道重载*/
    COLOR_RED_TIM_OCxPreloadConfig(COLOR_RED_TIM, TIM_OCPreload_Enable);

    //使能通道
    COLOR_GREEN_TIM_OCxInit(COLOR_GREEN_TIM, &TIM_OCInitStructure);
    /*使能通道重载*/
    COLOR_GREEN_TIM_OCxPreloadConfig(COLOR_GREEN_TIM, TIM_OCPreload_Enable);

    //使能通道
    COLOR_BLUE_TIM_OCxInit(COLOR_BLUE_TIM, &TIM_OCInitStructure);
    /*使能通道重载*/
    COLOR_BLUE_TIM_OCxPreloadConfig(COLOR_BLUE_TIM, TIM_OCPreload_Enable);

    //使能TIM重载寄存器ARR
    TIM_ARRPreloadConfig(COLOR_RED_TIM, ENABLE);
    TIM_ARRPreloadConfig(COLOR_GREEN_TIM, ENABLE);
    TIM_ARRPreloadConfig(COLOR_BLUE_TIM, ENABLE);


    // 使能计数器
    TIM_Cmd(COLOR_RED_TIM, ENABLE);
    TIM_Cmd(COLOR_GREEN_TIM, ENABLE);
    TIM_Cmd(COLOR_BLUE_TIM, 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

#define COLOR_RED_TIM                 TIM10
#define COLOR_GREEN_TIM               TIM11
#define COLOR_BLUE_TIM                TIM13

#define  COLOR_RED_CCRx                        CCR1
#define  COLOR_GREEN_CCRx                      CCR1
#define   COLOR_BLUE_CCRx                      CCR1

/**
* @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_RED_TIM->COLOR_RED_CCRx = (uint8_t)(rgb>>16);       //R
    COLOR_GREEN_TIM->COLOR_GREEN_CCRx = (uint8_t)(rgb>>8);    //G
    COLOR_BLUE_TIM->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_RED_TIM->COLOR_RED_CCRx = r;
    COLOR_GREEN_TIM->COLOR_GREEN_CCRx = g;
    COLOR_BLUE_TIM->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

/**
* @brief  主函数
* @param  无
* @retval 无
*/
int main(void)
{
    uint32_t random_color = 0;

    /* 初始化呼吸灯 */
    ColorLED_Config();

    /*初始化串口*/
    Debug_USART_Config();

    /* 使能RNG时钟 */
    RCC_AHB2PeriphClockCmd(RCC_AHB2Periph_RNG, ENABLE);
    /* 使能RNG外设 */
    RNG_Cmd(ENABLE);

    printf("\r\n 欢迎使用野火  STM32 F407 开发板。\r\n");
    printf("\r\n 全彩LED灯例程\r\n");
    printf("\r\n 使用PWM控制RGB灯，可控制输出各种颜色\r\n ");

    while (1) {
        SetRGBColor(COLOR_YELLOW);
        Delay(0xFFFFFF);

        /* 等待随机数产生完毕 */
        while (RNG_GetFlagStatus(RNG_FLAG_DRDY)== RESET);
        /*获取随机数*/
        random_color = RNG_GetRandomNumber();

        printf("\r\n 随机颜色值：0x%06x",random_color&0xFFFFFF);
        /*显示随机颜色*/
        SetRGBColor(random_color&0xFFFFFF);
        Delay(0x2FFFFFF);

    }
}

main函数中直接调用了ColorLED_Config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：TIMx_GPIO_Config和TIM_Mode_Config。 初始化完定时器后，又初始化了STM32F4芯片的随机数发生器外设RNG，使用它产生随机数，然后调用SetRGBColor和SetColorValue把RGB灯切换成该随机颜色。 实际应用中也可以根据自己的实际需要向函数设置RGB565的颜色值。

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。