STM32学习笔记：定时器(TIM)原理与应用（详解篇)

前言

定时器是STM32微控制器中最重要且最常用的外设之一，它不仅能提供精确的定时功能，还能实现PWM输出、输入捕获、编码器接口等多种功能。本文将全面介绍STM32的通用定时器，包括其工作原理、配置方法和典型应用。

一、STM32定时器概述

定时器时钟系统的设计和实现对于嵌入式系统的正常运作至关重要。STM32系列微控制器具有复杂的时钟系统架构，能够为不同外设提供灵活的时钟源选择。

STM32包含多种时钟源，满足不同应用场景需求：

时钟源	类型	频率	主要用途
HSI	高速内部RC振荡器	8MHz	系统时钟备用源
HSE	高速外部晶振	4-26MHz	主系统时钟源
LSI	低速内部RC振荡器	~32kHz	独立看门狗、RTC
LSE	低速外部晶振	32.768kHz	精确RTC时钟
PLL	锁相环倍频	可配置	生成高频系统时钟

1. 定时器分类

STM32F1系列包含丰富的定时器资源，主要分为：

• 高级定时器（TIM1/TIM8）：功能最全，支持PWM互补输出等高级功能
• 通用定时器（TIM2-TIM5）：平衡功能与复杂度，适合大多数应用
• 基本定时器（TIM6/TIM7）：功能简单，主要用于定时和DAC触发

2. 通用定时器主要功能

• 16/32位向上、向下、中央对齐的自动重装载计数器
• 多种时钟源选择：
  • 内部时钟(CK_INT)
  • 外部时钟模式1(外部引脚)
  • 外部时钟模式2(外部触发输入ETR)
  • 内部触发输入(ITRx，用于定时器级联)
• 4个独立通道，每个通道可用于：
  • 输入捕获
  • 输出比较
  • PWM生成
  • 单脉冲模式输出
• 丰富的触发源：可用于ADC启动、DAC触发等
• 编码器接口：可直接连接正交编码器

二、定时器工作原理

1. 定时器时钟系统

定时器时钟主要来自：

1. 内部时钟(CK_INT)：APB总线时钟经倍频后得到
   • 当APB预分频器为1时，CK_INT = APB时钟
   • 否则CK_INT = 2×APB时钟
2. 外部时钟：
   • 模式1：外部引脚(TIx)输入
   • 模式2：外部触发输入(ETR)

2. 定时器基本组成

• 计数器寄存器(TIMx_CNT)：核心计数单元
• 预分频器(TIMx_PSC)：对输入时钟进行分频
  • 16位可编程，分频系数1~65536
• 自动重装载寄存器(TIMx_ARR)：决定计数周期
• 比较/捕获寄存器(TIMx_CCRx)：用于比较或捕获

3. 计数模式

1. 向上计数模式：从0计数到ARR值，然后重新从0开始
2. 向下计数模式：从ARR值向下计数到0，然后重新从ARR开始
3. 中央对齐模式：先向上计数到ARR，再向下计数到0

三、定时器应用开发

1. 基本定时功能实现

配置步骤：

1. 使能定时器时钟
2. 配置时基单元
3. 使能定时器中断（如需）
4. 配置NVIC
5. 编写中断服务函数

代码实现：

// 定时器3初始化
void TIM3_Init(u16 arr, u16 psc)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;// 1. 使能时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);// 2. 配置时基TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;        // 自动重装载值TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;     // 预分频系数TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;   // 时钟分频TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);// 3. 使能中断TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);// 4. 配置NVICNVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);// 5. 启动定时器TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}// 定时器3中断服务函数
void TIM3_IRQHandler(void)
{if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET){TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);// 用户处理代码LED_Toggle();}
}

2. PWM输出配置

PWM原理：通过调节占空比（高电平时间与周期之比）来控制输出

配置步骤：

1. 使能定时器和GPIO时钟
2. 配置GPIO为复用推挽输出
3. 初始化时基单元
4. 配置PWM模式
5. 设置占空比
6. 使能输出和定时器

代码实现：

void TIM2_PWM_Init(u16 arr, u16 psc)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;// 1. 使能时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);// 2. 配置GPIOGPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;  // TIM2_CH2GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 3. 初始化时基TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);// 4. 配置PWM模式TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;  // 初始占空比TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);// 5. 使能预装载TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);// 6. 启动定时器TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}// 设置PWM占空比
void PWM_SetDuty(TIM_TypeDef* TIMx, u32 ch, u16 duty)
{switch(ch){case 1: TIMx->CCR1 = duty; break;case 2: TIMx->CCR2 = duty; break;case 3: TIMx->CCR3 = duty; break;case 4: TIMx->CCR4 = duty; break;}
}

3. 输入捕获功能

应用场景：测量脉冲宽度、频率或周期

配置步骤：

1. 使能时钟和GPIO
2. 配置GPIO为输入
3. 初始化时基单元
4. 配置输入捕获参数
5. 使能中断
6. 编写中断服务函数

代码实现：

// 定时器5通道2输入捕获初始化
void TIM5_Cap_Init(u16 arr, u16 psc)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;// 1. 使能时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);// 2. 配置GPIOGPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;  // TIM5_CH2GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;  // 下拉输入GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 3. 初始化时基TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseStructure);// 4. 配置输入捕获TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;  // 上升沿捕获TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;  // 不分频TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;  // 不滤波TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);// 5. 使能中断TIM_ITConfig(TIM5, TIM_IT_CC2, ENABLE);// 6. 配置NVICNVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);// 7. 启动定时器TIM_Cmd(TIM5, ENABLE);
}// 定时器5中断服务函数
u32 capture_val = 0;
void TIM5_IRQHandler(void)
{if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC2) != RESET){capture_val = TIM_GetCapture2(TIM5);  // 获取捕获值TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC2);}
}

四、定时器高级应用

1. 定时器级联

将两个定时器级联可以扩展定时范围：

• 主定时器配置为定时模式
• 从定时器配置为外部时钟模式1，时钟源来自主定时器

// 定时器2作为主定时器，定时器3作为从定时器
void TIM23_Cascade_Init(void)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;// 1. 主定时器(TIM2)配置RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000-1;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7200-1;  // 10KHzTIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);// 配置TIM2触发输出TIM_SelectOutputTrigger(TIM2, TIM_TRGOSource_Update);// 2. 从定时器(TIM3)配置RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);// 配置TIM3为外部时钟模式1TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_ITR1);  // TIM2作为TIM3的触发源TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_External1);// 启动定时器TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

2. 编码器接口模式

用于连接正交编码器，可自动识别旋转方向和计数：

void TIM4_Encoder_Init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;// 1. 使能时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);// 2. 配置GPIOGPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;  // TIM4_CH1/CH2GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);// 3. 初始化时基TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);// 4. 配置编码器接口TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;  // 适当滤波TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);// 5. 启动定时器TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
}

五、总结

STM32的定时器外设功能强大且灵活，本文介绍了：

1. 定时器的基本结构和时钟系统
2. 三种基本应用模式：定时、PWM输出和输入捕获
3. 两种高级应用：定时器级联和编码器接口

实际应用中需要注意：

• 时钟配置和分频计算
• 中断优先级的合理设置
• PWM输出时的死区时间控制（高级定时器）
• 输入捕获时的滤波设置

通过合理利用STM32的定时器资源，可以实现精确的定时控制、电机调速、信号测量等多种功能，是嵌入式系统开发中不可或缺的重要外设。