系列：外设基础系列
难度等级：⭐⭐⭐☆☆
适用芯片：STM32F103xx（其他系列差异见文末说明）
开发环境：STM32CubeIDE 1.x + HAL 库
前置知识：定时器基础计数原理、GPIO 复用功能配置、占空比与频率基本概念

---

一、前言

PWM 可以理解成“快速开关的电源旋钮”。就像你用手快速开关台灯，开得越久看起来越亮，开得越短看起来越暗；PWM 就是用固定频率快速开关引脚，通过“每个周期里亮的时间比例”控制平均亮度。这里“亮的时间比例”就是占空比，对应定时器里的 CCR/ARR 比值。

如果不用硬件 PWM，而是软件延时去翻转 GPIO，项目里会遇到明显问题。第一是 CPU 占用高，主循环很容易被“造波形”拖住；第二是波形抖动大，频率和占空比会受中断与代码路径影响；第三是可维护性差，后续加任务后亮度变化会不稳定。

本文会带你实现：用 TIM3 CH1（PA6） 输出 1kHz PWM，在主循环里动态修改 CCR1，让 LED 从 0% 亮度逐步变到最亮，再逐步变暗循环。你可以通过肉眼观察呼吸效果，以及用示波器/逻辑分析仪看 PA6 占空比变化来验证。

---

二、原理讲解

2.1 工作原理

一句话核心：TIM3 以固定周期计数，CNT < CCR1 时输出高电平，CNT >= CCR1 时输出低电平，从而形成可调占空比 PWM。

定时器输入时钟
    │
    ▼
[PSC预分频器]        ← 把高频时钟降到目标计数频率
    │
    ▼
[ARR周期寄存器]      ← 定义一个PWM周期包含多少计数
    │
    ▼
[CCR1比较寄存器]     ← 定义周期内高电平持续的计数长度
    │
    ▼
[PA6输出PWM]         ← 输出固定频率、可变占空比波形

💡 关键理解：频率主要由 PSC 和 ARR 决定，占空比主要由 CCR1 决定，改 CCR1 不该改变频率。

2.2 关键参数计算

PWM 频率公式：

$$f_{PWM}=\frac{f_{TIM}}{(PSC+1)\times(ARR+1)}$$

占空比公式（PWM 模式 1，高电平有效）：

$$D=\frac{CCR1}{ARR+1}\times100\%$$

符号	含义	单位
(f_)	TIM3 输入时钟频率	Hz
(PSC)	预分频寄存器值	无
(ARR)	自动重装值	无
(CCR1)	比较值（高电平计数长度）	无
(f_)	PWM 输出频率	Hz
(D)	PWM 占空比	%

目标：输出 1kHz PWM，并给出 25% 占空比对应的 CCR1

已知：fTIM=72MHz，取 PSC=71，ARR=999

推导过程：
  步骤1：fPWM = 72,000,000 / ((71+1)×(999+1)) = 1,000Hz
  步骤2：25%占空比时，CCR1 = 25% × (ARR+1) = 0.25×1000 = 250

验证：D = 250/1000 = 25%  ✓

2.3 关键寄存器 / HAL 结构体

寄存器（HAL成员）	作用	典型值/选项
htim3.Init.Prescaler	预分频设置	71
htim3.Init.Period	PWM 周期 ARR	999
sConfigOC.OCMode	PWM 输出模式	TIM_OCMODE_PWM1
sConfigOC.Pulse	初始占空比 CCR1	0~999
TIM3->CCR1	CH1 实时占空比寄存器	0~ARR
GPIOA PA6 复用配置	把比较输出送到引脚	AF Push-Pull

💡 正常调光用 HAL 接口改 CCR1 就够；只有占空比不生效或波形异常时再查 CCR1/CCER/CR1 等寄存器。

2.4 子功能说明

本文只用 PWM 输出模式（TIM3 CH1）；TIM3 的输入捕获、输出比较、编码器接口模式留到后续文章，区别是一类“造波形”，一类“测时间/测边沿”。

---

三、硬件说明

STM32引脚	复用功能	连接至	注意事项
PA6	TIM3_CH1	LED 阳极（串联限流电阻）	需配置为复用推挽输出，不是普通 GPIO 输出
GND	电源地	LED 阴极	必须共地，否则电平参考不一致
3.3V（可选）	电源	供电参考	LED 串联电阻建议 220Ω~1kΩ，避免过流

电压提示：STM32F103 GPIO 为 3.3V 逻辑电平，外接 LED/模块必须满足 3.3V 驱动条件。

---

四、CubeMX 配置步骤

4.1 时钟配置

1. 第一步：RCC 配置（选外部晶振）
2. 第二步：Clock Configuration 页面的具体设置（写明目标频率数值）
   设置 SYSCLK=72MHz，AHB=72MHz，APB1=36MHz，APB2=72MHz。
3. 第三步：确认该外设所在总线的时钟频率（写明总线名称和数值）
   TIM3 在 APB1，当 APB1 分频不为 1 时定时器时钟翻倍，确认 TIM3CLK=72MHz。

4.2 外设配置

步骤一：在 Pinout & Configuration -> Timers -> TIM3 里启用 PWM Generation CH1，确认 PA6 变为 TIM3_CH1。

步骤二：Parameter Settings 参数表格

参数项	填写值	说明
Prescaler	71	72MHz 分频到 1MHz，后续按 1us 计数更直观
Counter Period (ARR)	999	1MHz 下计 1000 个数得到 1kHz
Counter Mode	Up	递增计数便于理解和排查
Pulse (CCR1)	0	上电先灭灯，避免突亮
OC Mode	PWM mode 1	CNT<CCR1 时输出有效高电平
Channel Polarity	High	占空比与“亮度增大”方向一致，避免逻辑反向

步骤三：NVIC 中断配置（写明勾选路径和优先级建议值）
本实验 PWM 输出不依赖 TIM3 中断，路径 Pinout & Configuration -> System Core -> NVIC 中可不勾选 TIM3 global interrupt。若后续要用更新中断做节拍，建议优先级 Preemption Priority=2。

步骤四：代码生成设置（写明需要勾选哪个选项及其路径）
在 Project Manager -> Code Generator 勾选 Generate peripheral initialization as a pair of '.c/.h' files per peripheral，便于把 TIM3 配置与业务代码分离。

---

五、代码实现

5.1 设计思路

• 频率固定、占空比可变分开处理，因为呼吸灯核心是“亮度变化”，不是“频率变化”。
• 占空比变化用步进方式（每次加减固定值），因为逻辑简单、可控，初学者最容易调参。
• 主循环里只改 CCR1，不重启定时器，因为重启会引入闪烁和跳变。
• 限制 CCR1 <= ARR，因为超范围会导致占空比异常，看起来像“改值没反应”。

5.2 初始化代码

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);                               // 启动TIM3 CH1 PWM输出，否则PA6不会出波形
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 0);                        // 上电先把占空比设为0，避免LED突然全亮
uint16_t duty = 0;                                                       // 当前CCR步进值，后续用它控制亮度变化
int8_t step = 10;                                                        // 每次变化步长，值越大呼吸越快且亮度台阶更明显
/* USER CODE END 2 */

💡 HAL_TIM_PWM_Start() 是最容易漏掉的一步，不调用它就算参数全对也没有 PWM 输出。

5.3 核心功能代码

代码块1：核心处理函数

/**
  * @brief  更新呼吸灯占空比并写入TIM3 CCR1
  * @param  duty: 当前占空比计数值指针
  * @param  step: 占空比变化方向与步长指针
  * @retval None
  * @note   duty范围必须限制在0~ARR，避免CCR越界导致现象异常
  */
static void BreathLed_Update(uint16_t *duty, int8_t *step)
{
    uint16_t arr = __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim3);                    // 读取当前ARR作为占空比上限，防止硬编码出错

    if ((*step > 0) && (*duty >= arr))                                   // 分支1：正在增亮且已到上限
    {
        *step = -(*step);                                                // 到顶后反向，开始渐暗
    }
    else if ((*step < 0) && (*duty == 0U))                               // 分支2：正在变暗且已到底
    {
        *step = -(*step);                                                // 到底后反向，开始渐亮
    }
    else                                                                 // 分支3：处于正常变化区间
    {
        /* keep current direction */                                     // 保持当前方向，形成平滑呼吸节奏
    }

    *duty = (uint16_t)((int32_t)(*duty) + (int32_t)(*step));            // 按步长更新占空比值，控制亮度变化速度
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, *duty);                // 把新占空比写入CCR1，立即更新PWM高电平宽度
}

代码块2：主循环 while(1) 部分

/* USER CODE BEGIN 3 */
while (1)
{
    BreathLed_Update(&duty, &step);                                      // 周期更新一次占空比，驱动呼吸亮度曲线
    HAL_Delay(10);                                                       // 10ms刷新节拍在人眼上更平滑，同时CPU负担较低
}
/* USER CODE END 3 */

---

六、实验现象与验证

6.1 预期效果

• ✅ PA6 输出 PWM 频率约 1kHz，示波器测得周期约 1.000ms。
• ✅ LED 亮度按约 2 秒~4 秒 一个呼吸周期（取决于步长与延时）平滑明暗循环。

6.2 快速验证方法

方法1：示波器/逻辑分析仪验证（操作步骤）

1. 探头接 PA6 与 GND，时基先设 200us/div。
2. 测频率应接近 1kHz。
3. 观察占空比应从接近 0% 逐步变化到接近 100% 再返回。

方法2：运行时占空比边界自检（代码片段）

uint16_t arr = __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim3);                        // 读取ARR确认占空比上限
uint16_t ccr = __HAL_TIM_GET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1);            // 读取当前CCR1用于边界检查
if (ccr > arr)                                                           // 检查是否发生CCR越界写入
{
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, arr);                  // 越界时强制钳位，避免波形异常
}

---

七、常见问题排查

❓ 现象：PA6 没有任何 PWM 波形，LED 一直灭或一直亮

可能原因：

1. 忘记调用 HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1)，通道未真正启动输出。
2. PA6 没配成复用推挽，仍是普通 GPIO 模式，定时器输出信号无法送到引脚。

排查步骤：

先确认 MX_TIM3_Init() 后确实调用了 HAL_TIM_PWM_Start，再核对 GPIO 初始化是否为复用输出。

/* 重新执行最小启动序列，期望PA6出现PWM波形 */
HAL_TIM_PWM_Stop(&htim3, TIM_CHANNEL_1);                                // 先停止通道，避免状态不一致
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);                               // 重新启动PWM输出，验证启动链路是否完整
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 500);                      // 设50%占空比，示波器应看到高低各半

❓ 现象：LED 亮度不变化，始终固定一个亮度

可能原因：

1. 主循环没有持续更新 CCR1，占空比只在初始化时写了一次。
2. HAL_Delay 太大或步长太小，变化太慢，看起来像没变化。

排查步骤：

先把步长增大、延时减小，快速验证占空比是否在变；确认后再回调到柔和参数。

/* 临时加快变化速度，期望肉眼马上看到亮度变化 */
step = 50;                                                               // 放大步长，快速放大占空比变化幅度
HAL_Delay(2);                                                            // 缩短刷新周期，提高亮度变化速度
BreathLed_Update(&duty, &step);                                          // 立即执行一次更新，快速验证逻辑是否生效

❓ 现象：占空比修改无效或突然跳变（TIM PWM 特有）

可能原因：

1. 写入的 CCR1 超过 ARR，有效占空比被截断或表现异常。
2. 修改了错误通道（比如改了 CCR2，但实际输出在 CH1）。

排查步骤：

每次写 CCR1 前先读取 ARR 做边界钳位，并确认使用的是 TIM_CHANNEL_1。

/* 写CCR前做边界保护，期望CCR始终处于0~ARR */
uint16_t arr = __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim3);                        // 读取ARR作为当前合法上限
uint16_t next_ccr = duty;                                                // 准备写入的新占空比值
if (next_ccr > arr)                                                      // 检查是否超出ARR
{
    next_ccr = arr;                                                      // 超限时钳位到最大值，避免无效或异常占空比
}
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, next_ccr);                // 明确写CH1，避免改错通道

---

八、设计选型参考

方案	优点	缺点	适用场景
软件模拟 PWM（GPIO+延时）	实现直观，不依赖定时器外设	CPU 占用高，频率抖动明显	临时实验、极低要求控制
定时器硬件 PWM（本文）	频率稳定、CPU 占用低、可多通道并行	初始配置步骤较多	LED 调光、电机调速、蜂鸣器驱动
DAC 模拟电压调光	输出平滑、无开关纹波	需 DAC 资源和外围条件	对纹波敏感的模拟控制
恒流驱动芯片（外部）	电流控制精确、亮度一致性好	成本与硬件复杂度提升	多路高品质照明、量产产品

💡 选型原则：只要目标是数字口调光且要稳定、省 CPU，优先定时器硬件 PWM；软件模拟 PWM 只用于快速验证。

---

九、进阶方向

• DMA 自动更新 CCR 波形表：能实现更平滑的呼吸曲线，避免主循环频繁改寄存器。
• 多通道 RGB PWM 混色：能实现颜色渐变与场景灯效，避免单色呼吸灯表现单一。
• 加入伽马校正表：能实现“视觉上更线性”的亮度变化，避免中低亮区突变感明显。
• 互补输出与死区控制（高级定时器）：能实现半桥/全桥功率驱动，避免上下管直通风险。

---

十、总结

本文完成了：用 TIM3 CH1 在 PA6 输出 1kHz PWM，并通过动态修改 CCR1 实现了 LED 由暗到亮再到暗的循环呼吸效果。

核心知识点回顾：

1. PWM 频率由 PSC 和 ARR 决定，公式为 (f_{PWM}=f_{TIM}/((PSC+1)\times(ARR+1)))，参数写入需按寄存器规则减 1。
2. 占空比由 CCR1/(ARR+1) 决定，保持 CCR1 在 0~ARR 范围内是避免亮度异常的关键。
3. 硬件 PWM 的稳定性和 CPU 占用都明显优于软件模拟 PWM，适合实际项目长期使用。

---

参考资料

• STM32F103 参考手册链接（固定）：https://www.st.com/resource/en/reference_manual/cd00171190.pdf
• HAL 库用户手册链接（固定）：https://www.st.com/resource/en/user_manual/dm00154093.pdf
• CubeMX 用户手册链接（固定）：https://www.st.com/resource/en/user_manual/dm00104712.pdf
• 补充资料1（主题相关）：https://www.st.com/resource/en/application_note/an4013-introduction-to-timers-for-stm32-mcus-stmicroelectronics.pdf
• 补充资料2（主题相关）：https://www.st.com/en/embedded-software/stm32cubef1.html

*如有错误或建议，欢迎在评论区留言。转载请注明原文出处。*

芯片差异说明（如有差异则必须包含，否则删除）

对比项	STM32F103 (F1)	STM32F4	STM32H7
定时器时钟来源	APB 分频不为1时定时器时钟翻倍	规则类似，但时钟树更复杂	时钟域更多，内核时钟选择更灵活
PWM 分辨率体验	常用 16 位计数器，基础调光够用	高频下分辨率与频率平衡更灵活	高频高分辨率场景余量更大
GPIO 复用配置	复用推挽配置相对直接	AF 配置项更细分	AF 与高速驱动配置项更多
高级功能扩展	基础 PWM 场景为主	更多定时器联动与触发场景	复杂实时控制与多外设同步能力更强

贡献者: Chingan

上一页STM32 基本定时器 TIM6：定时中断与 PSC/ARR 计算

下一页STM32 外部中断 EXTI：按键触发中断与优先级分组