第27章

GPT——通用PWM定時(shí)器

27.1

PWM簡(jiǎn)介

PWM的全稱是脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，通俗的講就是調(diào)節(jié)脈沖的寬度。其原理是通過將有效的電信號(hào)分散成離散形式從而來降低電信號(hào)所傳遞的平均功率，根據(jù)面積等效法則，可以通過對(duì)改變脈沖的時(shí)間寬度，來等效地獲得所需要合成的相應(yīng)幅值和頻率的波形。PWM 有著非常廣泛的應(yīng)用，比如直流電機(jī)控制、開關(guān)電源、逆變器等等。

PWM波形的基本信息如下圖所示。

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脈沖周期（T）：?jiǎn)挝皇菚r(shí)間，如納秒（ns）、微秒（us）、毫秒（ms）等。

脈沖頻率（f）：?jiǎn)挝皇呛掌潱℉z）、千赫茲（KHz）等。頻率與脈沖周期成倒數(shù)關(guān)系，f=1/T。

脈沖寬度（W）：簡(jiǎn)稱“脈寬”，一般指脈沖中高電平持續(xù)的時(shí)間。單位是時(shí)間。

占空比（D）：脈寬除以脈沖周期的值。

以上各信息之間的關(guān)系滿足下列公式：

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27.2

GPT簡(jiǎn)介

通用PWM定時(shí)器（GPT，General PWM Timer）是瑞薩RA MCU的其中一種32/16位的定時(shí)器外設(shè)。在GPT當(dāng)中，可分為GPT32和GPT16，它們最主要的區(qū)別是計(jì)數(shù)器的不同。GPT32是32位的定時(shí)器，包含的計(jì)數(shù)器是32位的，所能計(jì)數(shù)的范圍為：0~0xFFFF_FFFF；而GPT16是16位的定時(shí)器，包含的計(jì)數(shù)器是16位的，所能計(jì)數(shù)的范圍為：0~0xFFFF。

定時(shí)器（Timer）最基本的功能就是定時(shí)，比如定時(shí)發(fā)送串口數(shù)據(jù)、定時(shí)采集AD數(shù)據(jù)、定時(shí)觸發(fā)中斷處理其它事務(wù)等等。如果把定時(shí)器與GPIO引腳結(jié)合起來使用的話可以實(shí)現(xiàn)更加豐富的功能，可以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以測(cè)量輸入信號(hào)的脈沖寬度，可以輸出單個(gè)脈沖、PWM等波形，等等。通過定時(shí)器生成PWM波形信號(hào)來控制電機(jī)狀態(tài)是工業(yè)控制的普遍方法。

GPT模塊可用于計(jì)數(shù)事件、測(cè)量外部輸入信號(hào)、作為通用計(jì)時(shí)器并產(chǎn)生周期性中斷、以及輸出周期性或PWM信號(hào)到GTIOC引腳。GPT也可用于輸出單個(gè)脈沖，但是注意這是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，GPT硬件本身不支持輸出單個(gè)脈沖（One-Shot）功能。當(dāng)使用單個(gè)脈沖（One-Shot）模式時(shí)，必須要開啟中斷，計(jì)時(shí)器需要在脈沖周期結(jié)束后在ISR中斷服務(wù)函數(shù)中被停止。

瑞薩RA MCU的不同型號(hào)之間可能擁有不同數(shù)量的GPT定時(shí)器，例如：

野火啟明6M5開發(fā)板板載的RA6M5芯片擁有共10個(gè)GPT定時(shí)器（即10個(gè)通道），其中包括4個(gè)32位GPT定時(shí)器（GPT32n (n=0~3)）和6個(gè)16位GPT定時(shí)器（GPT16m (m=4~9)）。

野火啟明4M2開發(fā)板板載的RA4M2芯片擁有共8個(gè)GPT定時(shí)器（即8個(gè)通道），其中包括4個(gè)32位GPT定時(shí)器（GPT32n (n=0~3)）和4個(gè)16位GPT定時(shí)器（GPT16m (m=4~7)）。

野火啟明2L1開發(fā)板板載的RA2L1芯片擁有共10個(gè)GPT定時(shí)器（即10個(gè)通道），其中包括4個(gè)32位GPT定時(shí)器（GPT32n (n=0~3)）和6個(gè)16位GPT定時(shí)器（GPT16m (m=4~9)）。

RA6M5/RA2L1的GPT定時(shí)器通道與模塊名如下圖所示：

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RA4M2的GPT定時(shí)器通道與模塊名如下圖所示：

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以 RA6M5 為例，GPT 定時(shí)器的詳細(xì)功能參數(shù)如下表所示：

以RA6M5為例，GPT的I/O引腳及其功能用途如下表所示：

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27.3

GPT的框圖分析

如下圖所示，為RA6M5芯片GPT外設(shè)模塊的結(jié)構(gòu)框圖：

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27.3.1

計(jì)數(shù)器

見圖中標(biāo)注①處。

GTCNT是GPT定時(shí)器模塊內(nèi)部的計(jì)數(shù)器，實(shí)際上，計(jì)數(shù)器是實(shí)現(xiàn)定時(shí)器外設(shè)的各種功能的基礎(chǔ)。因此，了解計(jì)數(shù)器的規(guī)格和功能非常重要。

對(duì)于RA6M5，共有10個(gè)GPT定時(shí)器（GPT0~9），而GPT又分為GPT32和GPT16。GPT32有4個(gè)（GPT0~3），計(jì)數(shù)器為32bit，在上圖中用GPT320~GPT323來表示；而GPT16有6個(gè)（GPT4~9），計(jì)數(shù)器為16bit，在上圖中用GPT164~GPT169來表示。

GPT的計(jì)數(shù)器支持遞增計(jì)數(shù)，遞減計(jì)數(shù)和遞增/遞減計(jì)數(shù)（即遞增與遞減計(jì)數(shù)輪流進(jìn)行）。

27.3.2

時(shí)鐘輸入

見圖中標(biāo)注②處。

GPT定時(shí)器的時(shí)鐘輸入可以選擇內(nèi)部的PCLKD分頻后輸入或者選擇通過GTETRGn引腳輸入外部時(shí)鐘。這兩類中只能選擇一個(gè)，若選擇外部時(shí)鐘輸入則定時(shí)器不能對(duì)內(nèi)部時(shí)鐘輸入進(jìn)行計(jì)數(shù)。

PCLKD/n（n=1/2/4/8/16/32/64/256/1024）

GTETRGA，GTETRGB，GTETRGC, GTETRGD（通過POEG）

注

PCLKD/1表示的是不分頻。

27.3.3

周期設(shè)置和周期設(shè)置緩沖寄存器

見圖中標(biāo)注③處。

GTPR周期設(shè)置寄存器是一個(gè)可讀寫的寄存器，用戶可通過該寄存器設(shè)置計(jì)數(shù)器GTCNT的最大計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)超過該值就會(huì)溢出，因此該值決定了計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)周期。GTPR的有效大小與GTCNT（16位或32 位）相同。如果GTPR的有效大小為16位，則用戶讀取其高16位始終為0，并且其高16位的寫入作會(huì)被忽略。

GTPBR周期設(shè)置緩沖寄存器同樣也是一個(gè)可讀寫的寄存器，用作GTPR的緩沖寄存器，GPT計(jì)數(shù)器每計(jì)數(shù)溢出一次，就會(huì)將GTPBR的值寫入GTPR。GTPBR的有效大小也與GTCNT（16位或32位）相同。如果GTPBR的有效大小為16位，則用戶讀取其高16位始終為0，并且其高16位的寫入作會(huì)被忽略。

27.3.4

控制寄存器

見圖中標(biāo)注④處。

這部分的寄存器較多、也較復(fù)雜，它們都屬于用于控制定時(shí)器功能的寄存器。

27.3.5

比較器和比較/輸入捕獲寄存器

見圖中標(biāo)注⑤處。

這部分包含一個(gè)比較器和6個(gè)GTCCRx寄存器（x= A，B，C，D，E，F(xiàn)）。這6個(gè)GTCCRx寄存器的功能并不完全相同：

GTCCRA和GTCCRB是用于輸出比較和輸入捕捉的寄存器。

GTCCRC和GTCCRE可用作比較匹配寄存器，也可以分別作為GTCCRA和GTCCRB 的緩沖寄存器（構(gòu)成GTCCRA和GTCCRB 的單緩沖寄存器）。

GTCCRD和GTCCRF可用作比較匹配寄存器，也可以分別作為GTCCRC和GTCCRE 的緩沖寄存器（構(gòu)成GTCCRA和GTCCRB 的雙緩沖寄存器：即GTCCRC和GTCCRD 作為GTCCRA的雙緩沖，GTCCRE和GTCCRF作為GTCCRB的雙緩沖）。

比如，在普通的PWM輸出模式下，比較器將計(jì)數(shù)器GTCNT與GTCCRA和GTCCRB進(jìn)行比較，若匹配（比較結(jié)果相等），則根據(jù)GTIOR（General PWM Timer I/O Control Register）寄存器的GTIOA[4:0] 和GTIOB[4:0]的配置來切換GTIOCA和GTIOCB的輸出電平?？梢詫TIOCA和GTIOCB切換為低電平、高電平、或者反轉(zhuǎn)電平。

27.3.6

中斷請(qǐng)求信號(hào)

見圖中標(biāo)注⑥處。

圖中顯示的是GPT0的中斷請(qǐng)求信號(hào)，中斷請(qǐng)求信號(hào)用于產(chǎn)生中斷、或者通過ELC鏈接到其他模塊。

GPT提供以下中斷源：

GTCCR輸入捕捉/比較匹配

GTCNT計(jì)數(shù)器上溢（超出GTPR設(shè)置的值）/下溢

周期計(jì)數(shù)功能完成

每個(gè)中斷源都有自己的狀態(tài)標(biāo)志。當(dāng)一個(gè)中斷源信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，相關(guān)的狀態(tài)標(biāo)志會(huì)被硬件自動(dòng)設(shè)置為1。狀態(tài)標(biāo)志可以通過寫入0來清除。需要注意的是，如果標(biāo)志設(shè)置和標(biāo)志清除同時(shí)發(fā)生，標(biāo)志清除優(yōu)先于標(biāo)志設(shè)置。

27.3.7

IO輸入輸出引腳

見圖中標(biāo)注⑦處。

GTIOCnA和GTIOCnB是GPT的IO輸入輸出引腳，用于信號(hào)輸出和輸入捕獲。它們還配備了噪聲濾波器（Noise Filter），噪聲濾波器以采樣時(shí)鐘對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并去除長(zhǎng)度小于3個(gè)采樣周期的脈沖。用戶可設(shè)置是否啟用噪聲濾波器。

噪聲濾波器功能的時(shí)序圖如下所示：

27.3.8

ELC事件輸入

見圖中標(biāo)注⑧處。

GPT可以執(zhí)行以下操作以響應(yīng)最多8個(gè)來自ELC的事件信號(hào)輸入：

開始計(jì)數(shù)，停止計(jì)數(shù)，清除計(jì)數(shù)

遞增計(jì)數(shù)，遞減計(jì)數(shù)

進(jìn)行一次輸入捕獲

27.3.9

輸出相位切換

見圖中標(biāo)注⑨處。

輸出相位切換（GPT_OPS）功能通過輸出相位切換控制寄存器（OPSCR）進(jìn)行控制，用于實(shí)現(xiàn)輕松控制無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行的功能。圖中的三相PWM波形生成器接收來自比較器的GPT320.GTIOC0A的PWM 信號(hào)輸入后，輸出三相PWM用于驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)。

注：

GPT_OPS功能在RA6M5中只有一個(gè)，并不是每個(gè)GPT定時(shí)器都對(duì)應(yīng)有一個(gè)，也就是說通過該功能只能輕松控制一個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)。

未完待續(xù)