3. SAM GPIO与PWM模块实战

在直流电机开环调速中，SAM 系列 MCU 通常需要同时完成三件事：用 GPIO 控制电机驱动器的方向与使能，用 TC/TCC 产生频率与占空比可调的 PWM，并在需要互补输出时插入死区，避免上下桥臂直通。本节以 SAM D21/SAM C21 常见的 TCC 模块为例，给出可直接参考的配置思路与示例参数。

一、GPIO：方向与使能的“静态控制层”

方向信号（DIR）和使能信号（EN）属于慢速逻辑，通常由普通 GPIO 输出驱动。以常见的 H 桥驱动器为例，DIR 决定电机正反转，EN 决定驱动器是否输出。上电默认应让 EN 为无效电平，避免电机意外启动。假设使用 SAM D21 的 PA14 接 DIR、PA15 接 EN，且驱动器 EN 高有效，则初始化顺序为：先配置为输出并写入安全电平，再使能外设时钟。

// 示例：SAM D21 GPIO 方向/使能初始化（寄存器级）
// PA14 = DIR, PA15 = EN，EN 高有效
PORT->DIRSET.reg = (1u << 14) | (1u << 15); // 设为输出
PORT->OUTCLR.reg = (1u << 15);              // 先拉低 EN，安全态
PORT->OUTCLR.reg = (1u << 14);              // DIR = 0，默认正转
// 需要启动时：
PORT->OUTSET.reg = (1u << 15);              // EN = 1，使能驱动器
// 换向时：
PORT->OUTTGL.reg = (1u << 14);              // 翻转 DIR

这里的关键是“先安全、后使能”。若 DIR 与 EN 同时变化，建议先改 DIR，待电平稳定后再拉高 EN；换向时若电机电流较大，可先拉低 EN，延时几毫秒再翻转 DIR，最后重新使能，以减小冲击。GPIO 的驱动能力、上拉/下拉和引脚复用需按具体封装与驱动器手册确认，避免与 TCC 输出引脚冲突。

二、TCC：互补PWM与死区插入的核心

SAM 的 TCC 模块支持双通道互补输出（WO[0]/WO[1]），并内置死区插入。以 TCC0 为例，假设系统时钟 48 MHz，目标 PWM 频率 20 kHz，则周期计数值为 48 MHz / 20 kHz = 2400。若采用双斜率或单斜率模式，需注意计数范围与比较值的对应关系。下面给出单斜率、中心对齐关闭的简化配置：

// 示例：TCC0 互补PWM，20 kHz，初始占空比 50%
// 时钟源：GCLK0 = 48 MHz，分频 1
TCC0->CTRLA.reg = TCC_CTRLA_PRESCALER_DIV1 | TCC_CTRLA_ENABLE;
TCC0->WAVE.reg = TCC_WAVE_WAVEGEN_DSBOTH; // 双斜率，互补
TCC0->PER.reg = 2400;                     // 周期
TCC0->CC[0].reg = 1200;                   // 占空比 50%
TCC0->CC[1].reg = 1200;                   // 互补通道比较值
// 死区插入：约 500 ns
TCC0->DTRIG.reg = TCC_DTRIG_TRG0EN;       // 可选触发
TCC0->DBGCTRL.reg = 0;
TCC0->DRVCTRL.reg = TCC_DRVCTRL_DTIEN0 | TCC_DRVCTRL_DTIEN1;
TCC0->DCFG.reg = TCC_DCFG_DTINV0 | TCC_DCFG_DTINV1; // 按需反相
// 死区时间寄存器：DTVAL = 死区时钟数
TCC0->DCFG.reg |= (24 << TCC_DCFG_DTPER_Pos); // 示例值，需按手册换算

死区时间的计算必须结合 TCC 的时钟源与分频。若死区时钟为 48 MHz，则 1 个计数约 20.8 ns，500 ns 约需 24 个计数。实际写入 DCFG 的 DTPER 字段时，要确认该字段的位宽与编码方式，不同 SAM 型号可能不同。死区过小会导致上下桥臂直通，过大则会畸变输出电压、降低有效占空比，因此应结合驱动器手册的 t_rise/t_fall 与关断延时选取。

三、开环调速：占空比与方向联动

开环调速的本质是“给定占空比 → 平均电压 → 转速”。在 20 kHz、50% 占空比下，若电机供电 12 V，则平均电压约 6 V。改变 CC[0] 即可改变占空比：CC[0]=600 对应 25%，CC[0]=1800 对应 75%。方向由 GPIO 的 DIR 决定，EN 保持高电平。实际调试时，建议先用固定 50% 占空比确认波形与死区正常，再逐步改变占空比观察转速变化。

需要特别注意的是，互补 PWM 的“有效占空比”会因死区而略有损失。若死区为 500 ns、周期为 50 μs，则死区占比约 1%，对低速影响较小；但在高频或小占空比时，死区可能导致输出非线性。此时可通过软件补偿：在低占空比区间适当增大 CC 值，或降低 PWM 频率以减小死区相对影响。

四、调试与验证要点

建议按以下顺序验证：第一，用示波器观察 WO[0]/WO[1] 是否为互补、死区是否在 300～800 ns 之间；第二，测量 EN 与 DIR 的电平是否符合预期；第三，接入电机后，从 20% 占空比逐步升至 80%，记录转速与电流变化。若出现上下桥臂发热、电流尖峰或电机抖动，应优先检查死区是否足够、DIR/EN 时序是否冲突，以及 TCC 输出引脚是否被其他外设复用。