本來同步的信號(hào)為何有相差了？

有人使用STM32H7系列芯片開發(fā)產(chǎn)品，其中用到TIM1/TIM8兩個(gè)定時(shí)器做PWM輸出，并且TIM1/TIM8建立起主從關(guān)系同時(shí)啟動(dòng)，使用完全相同的時(shí)間參數(shù)和PWM配置，各自輸出3路同頻同相的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。不過，在使用過程中，可能時(shí)不時(shí)地需要暫停兩個(gè)定時(shí)器的輸出，等到適當(dāng)時(shí)機(jī)再啟動(dòng)全部通道PWM輸出。可他發(fā)現(xiàn)，2個(gè)定時(shí)器的PWM輸出剛開始還同步得好好的，但隨著程序的運(yùn)行，一段時(shí)間后，來自兩個(gè)定時(shí)器的PWM輸出明顯不再同步了，而是出現(xiàn)了相移。

我這里各選TIM1/TIM8的CH1來做說明。比方說，程序剛開始運(yùn)行時(shí)，來自2個(gè)定時(shí)器的2個(gè)通道PWM輸出是完全同步的，如下圖所示：

LATER……

經(jīng)過一段時(shí)間后，2個(gè)定時(shí)器的PWM輸出變得有相差了，就像下面的樣子，兩個(gè)定時(shí)器的PWM輸出相差隨著程序的運(yùn)行還在不停變化，輸出不再有同步可言。

經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，如果沒有中途時(shí)不時(shí)的通道啟、停動(dòng)作，2個(gè)定時(shí)器的PWM輸出倒是一直同步得很好。也就是說，中途不時(shí)地對(duì)輸出通道的啟、停導(dǎo)致了PWM輸出的相移。

查看了他的相關(guān)操作代碼，大致是這樣操作的?！鞠旅媸俏覅⒖伎蛻魧懛ㄖ貙懙尿?yàn)證代碼。TIM8是MASTER,TIM1是SLAVE。功能簡(jiǎn)單、清晰，就是讓來自TIM1和TIM8的2個(gè)通道先運(yùn)行一會(huì)，然后暫停一會(huì)，這樣循環(huán)。下面代碼重點(diǎn)看while(1)循環(huán)體。】

HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,  TIM_CHANNEL_1); //Start PWM of TIM1_CH1
HAL_TIM_PWM_Start(&htim8,  TIM_CHANNEL_1); //Start PWM of TIM8_CH1
。。。。。。
while (1)
  {
   HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1,  TIM_CHANNEL_1);//Stop PWM of TIM1_CH1
   HAL_TIM_PWM_Stop(&htim8,  TIM_CHANNEL_1);//Stop PWM of TIM8_CH1


    HAL_Delay(2000);
    
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,  TIM_CHANNEL_1); //Start PWM of TIM1_CH1
  HAL_TIM_PWM_Start(&htim8,  TIM_CHANNEL_1); //Start PWM of TIM8_CH1


    HAL_Delay(2000);
  }

使用上面測(cè)試代碼運(yùn)行一陣子后，本來同步得很好的2路PWM波形就漸漸產(chǎn)生相移了。

這里調(diào)用的HAL_TIM_PWM_Stop（）函數(shù)來關(guān)閉指定通道的PWM輸出，是有效的。不過，當(dāng)我們點(diǎn)進(jìn)該函數(shù)里面去閱讀時(shí)，該函數(shù)不僅關(guān)閉了相應(yīng)通道的輸出功能，連計(jì)數(shù)器也關(guān)閉了。下面截圖是該函數(shù)的內(nèi)容，其中箭頭所指是關(guān)閉定時(shí)器的計(jì)數(shù)器的代碼。

根據(jù)客戶的需求，每次關(guān)閉通道輸出只是臨時(shí)性的，每次一同把計(jì)數(shù)器也關(guān)斷似乎太過了，不是很合適的做法，明顯不必要。那么，如果我們把這個(gè)函數(shù)換成只針對(duì)定時(shí)器通道的輸出功能做關(guān)閉、開啟的函數(shù)會(huì)怎么樣呢？

在HAL庫(kù)里，有個(gè)函數(shù)就是實(shí)現(xiàn)此功能的：

//關(guān)閉通道輸出功能

TIM_CCxChannelCmd(TIMx, TIM_CHANNEL_1, TIM_CCx_DISABLE);

//啟用通道輸出功能

TIM_CCxChannelCmd(TIMx, TIM_CHANNEL_1, TIM_CCx_ENABLE);

我們把前面的測(cè)試代碼改換成下面的寫法再來驗(yàn)證。

HAL_TIM_PWM_Start(&htim1,  TIM_CHANNEL_1); //Start PWM of TIM1_CH1
HAL_TIM_PWM_Start(&htim8,  TIM_CHANNEL_1); //Start PWM of TIM8_CH1
。。。。。。
while (1)
  {
TIM_CCxChannelCmd(htim1.Instance,TIM_CHANNEL_1,TIM_CCx_DISABLE);//關(guān)閉輸出
TIM_CCxChannelCmd(htim8.Instance, TIM_CHANNEL_1, TIM_CCx_DISABLE); //關(guān)閉輸出


    HAL_Delay(2000);
    
TIM_CCxChannelCmd(htim1.Instance,TIM_CHANNEL_1,TIM_CCx_ENABLE);//啟用輸出
TIM_CCxChannelCmd(htim8.Instance,TIM_CHANNEL_1,TIM_CCx_ENABLE);//啟用輸出


    HAL_Delay(2000);
  }

針對(duì)修改過的測(cè)試代碼進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)來自2個(gè)定時(shí)器的PWM輸出同步得很好很穩(wěn)定，不飄不移了。

第2種新寫法跟原寫法的最大差別就在于-----新寫法的代碼里對(duì)通道輸出做啟停操作時(shí)完全不涉及計(jì)數(shù)器的開、關(guān)， 2個(gè)TIMER的計(jì)數(shù)器自始至終就不曾受到其它干預(yù)而影響正常計(jì)數(shù)，一直在持續(xù)地、按部就班地、周期性地計(jì)數(shù)，因?yàn)橥耆嗤臅r(shí)間參數(shù)，所以2個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)也保持著很好的同步。

現(xiàn)在的問題是，為何第一種寫法會(huì)讓2個(gè)定時(shí)器的PWM輸出產(chǎn)生相移呢？

原因就出在使用HAL_TIM_PWM_Stop()函數(shù)來關(guān)閉通道輸出這個(gè)做法上，這里調(diào)用它來實(shí)現(xiàn)通道的關(guān)閉不合理。前面我們分析了，該函數(shù)不僅關(guān)閉通道輸出，而且還停止了相應(yīng)計(jì)數(shù)器。我們看看其中的兩行關(guān)閉通道PWM輸出的代碼：

在程序里面，一前一后，即先停止TIM1的計(jì)數(shù)器，然后才停止TIM8的計(jì)數(shù)器。顯然，因?yàn)檫@個(gè)先后關(guān)系，導(dǎo)致TIM8停止時(shí)總要比TIM1多計(jì)些數(shù)。這里我們簡(jiǎn)單點(diǎn)以便于溝通，假設(shè)TIM8停止計(jì)數(shù)時(shí)比TIM1多計(jì)2個(gè)數(shù)。也就是說每次對(duì)2個(gè)通道做關(guān)閉操作時(shí)，同時(shí)對(duì)2個(gè)計(jì)數(shù)器也做一次停止操作，每次對(duì)定時(shí)器的停止操作使得TIM8比TIM1多計(jì)2個(gè)數(shù)。隨著這種操作次數(shù)的增加，每次重新啟動(dòng)2個(gè)定時(shí)器時(shí)，2個(gè)計(jì)數(shù)器的起點(diǎn)值的差距也在增加【當(dāng)然，這個(gè)差距變化可能會(huì)有周期性】，最終導(dǎo)致2個(gè)定時(shí)器的PWM輸出產(chǎn)生了相移，而且相移還在不斷變化。

關(guān)于頻繁啟停通道導(dǎo)致2個(gè)計(jì)數(shù)器每次停止后再次啟動(dòng)時(shí)的計(jì)數(shù)器起始值的差值總在變化的結(jié)論，我換個(gè)比較通俗形象的類比說法來解釋。

假設(shè)有2個(gè)運(yùn)動(dòng)員A和B,下圖中的紅星和綠星分別代表這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)員。他倆經(jīng)常一起繞圈跑步訓(xùn)練，跑步速度一樣。我們現(xiàn)在模擬2個(gè)場(chǎng)景。

第一個(gè)場(chǎng)景，就是他倆一起從某點(diǎn)開始跑步，要跑就一起跑，要停就一起停。顯然，這樣的話，任何時(shí)候他倆都是在一起，物理上來看二人相對(duì)靜止。此場(chǎng)景對(duì)應(yīng)下圖中的左邊圓圈情形。

第二個(gè)場(chǎng)景，還是他倆一起繞圈跑步，跑步速度始終一樣，不過這時(shí)旁邊多了個(gè)教練。當(dāng)他倆從某點(diǎn)開始跑起來后，若要停下歇息需得到教練指令。這個(gè)教練有個(gè)習(xí)慣，每次都是先叫A停下，然后才叫B停下歇息，導(dǎo)致每次2個(gè)人停下歇息時(shí)，B總要比A多跑兩步，但二人每次重新起跑時(shí)又是同時(shí)的。就這樣持續(xù)，不難想象二人之間的距離總是在變化，再也看不到場(chǎng)景1情形下的相對(duì)靜止了。這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)員在跑道上的間距變化就像基于第一種代碼寫法下的2個(gè)計(jì)數(shù)器值的差值變動(dòng)。見下圖的右邊圓圈紅星與綠星的間距變化。這里只畫一圈示意下。

我們知道，這里定時(shí)器的PWM輸出是根據(jù)TIMER比較器的值與計(jì)數(shù)器值的比較結(jié)果而決定其輸出電平。盡管2個(gè)定時(shí)器的基本配置參數(shù)都一樣，但由于頻繁啟停計(jì)數(shù)器，導(dǎo)致每次啟動(dòng)時(shí)計(jì)數(shù)初始值都在變化，進(jìn)而導(dǎo)致PWM波形輸出不再保持同步。

這樣說可能有點(diǎn)抽象，我們不妨結(jié)合下面圖形看看會(huì)直觀點(diǎn)。下圖帶箭頭斜線示意計(jì)數(shù)方向、計(jì)數(shù)起點(diǎn)、終點(diǎn)。紅色虛線表示2個(gè)定時(shí)器CH1設(shè)置的CCR值的水平。

基于客戶原寫法代碼，假設(shè)經(jīng)過多次針對(duì)通道的啟、停操作后的某個(gè)時(shí)刻【Tx】重新啟動(dòng)2個(gè)定時(shí)器及PWM輸出，A,B兩點(diǎn)表示TIM1和TIM8計(jì)數(shù)器在Tx時(shí)刻的起始值，其它配置參數(shù)都一樣。下面是基于應(yīng)用當(dāng)前場(chǎng)景，分別來自TIM1/TIM8的2路PWM輸出波形示意圖?！具@里假定TIM1和TIM8的使用相同配置，且當(dāng)CCR>CNT時(shí)輸出高，否則輸出低】

因2個(gè)定時(shí)器采用完全相同的配置，所以2路PWM波形特征是一樣的。但由于啟動(dòng)時(shí)刻2個(gè)定時(shí)器的計(jì)數(shù)初值不一樣，輸出的波形卻有了相差，如上圖所示。

這里或許有人會(huì)問，原始寫法里調(diào)用HAL_TIM_PWM_Start();是不是也不太合理呢？談不上不合理，但用得不太合適，從功能實(shí)現(xiàn)上看不夠簡(jiǎn)潔、利落。這里TIM1/TIM8基于觸發(fā)啟動(dòng)的主從關(guān)系,作為主定時(shí)器的TIM8的啟動(dòng)放在TIM1的后面就可以了，TIM8啟動(dòng)的同時(shí)啟動(dòng)從TIM1。

結(jié)合這里的應(yīng)用，改過寫的第2種代碼比較清爽簡(jiǎn)潔。那么，順便問一句，可否在原寫法的代碼基礎(chǔ)上不做大的改寫，只做局部微調(diào)來解決問題呢？答案是肯定的，我也做過較長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證測(cè)試。有興趣的話可以自行研究下，其實(shí)前面文字里也隱含了答案。

審核編輯：湯梓紅