stm32-定时器详解

0. 概述

本文针对STM32F1系列，主要讲解了其中的8个定时器的原理和功能

1. 定时器分类

• STM32F1 系列中，除了互联型的产品，共有 8 个定时器，分为基本定时器，通用定时器和高级定时器
• 基本定时器 TIM6 和 TIM7 是一个 16 位的只能向上计数的定时器，只能定时，没有外部IO
• 通用定时器 TIM2/3/4/5 是一个 16 位的可以向上/下计数的定时器，可以定时，可以输出比较，可以输入捕捉，每个定时器有四个外部 IO。
• 高级定时器 TIM1/8 是一个 16 位的可以向上/下计数的定时器，可以定时，可以输出比较，可以输入捕捉，还可以有三相电机互补输出信号，每个定时器有 8 个外部 IO

下午为三种定时器类型的介绍：

2. 基本定时器

2.1 功能框图讲解

基本定时器的核心是时基，不仅基本定时器有，通用定时器和高级定时器也有。

1. 定时器时钟 TIMxCLK，即内部时钟 CK_INT，经 APB1 预分频器后分频提供，如果 APB1 预分频系数等于 1，则频率不变，否则频率乘以 2，库函数中 APB1 预分频的系数是 2，即 PCLK1=36M，所以定时器时钟 TIMxCLK=36*2=72M。
2. 定时器时钟经过 PSC 预分频器之后，即CK_CNT，用来驱动计数器计数。 PSC 是一个 16 位的预分频器，可以对定时器时钟 TIMxCLK 进行 1~65536 之间的任何一个数进行分频。具体计算方式为： CK_CNT=TIMxCLK/(PSC+1)。
3. 计数器 CNT 是一个 16 位的计数器，只能往上计数，最大计数值为 65535。当计数达到自动重装载寄存器的时候产生更新事件，并清零从头开始计数
4. 自动重装载寄存器 ARR 是一个 16 位的寄存器，这里面装着计数器能计数的最大数值。当计数到这个值的时候，如果使能了中断的话，定时器就产生溢出中断。

2.2 定时器时间的计算

定时器的定时时间等于计数器的中断周期乘以中断的次数。计数器在 CK_CNT 的驱动下，计一个数的时间则是 CK_CLK 的倒数，等于： 1/（TIMxCLK/(PSC+1)），产生一次中断的时间则等于：1/（CK_CLK * ARR）。如果在中断服务程序里面设置一个变量 time，用来记录中断的次数，那么就可以计算出我们需要的定时时间等于： 1/CK_CLK* (ARR+1)*time。

2.3 基本定时器结构体详解

在标准库函数头文件 stm32f4xx_tim.h 中对定时器外设建立了四个初始化结构体，基本定时器只用到其中一个即TIM_TimeBaseInitTypeDef

typedef struct {uint16_t TIM_Prescaler;uint16_t TIM_CounterModuint32_t TIM_Period;uint16_t TIM_ClockDivision;uint8_t TIM_RepetitionCounter;
} TIM_TimeBaseInitTypeDef;

1. TIM_Prescaler：定时器预分频器设置，时钟源经该预分频器才是定时器时钟，它设定 TIMx_PSC寄存器的值。可设置范围为 0 至 65535，实现 1 至 65536 分频。
2. TIM_CounterMode：定时器计数方式，可是在为向上计数、向下计数以及三种中心对齐模式。基本定时器只能是向上计数，即 TIMx_CNT 只能从 0 开始递增，并且无需初始化。
3. TIM_Period：定时器周期，实际就是设定自动重载寄存器的值，在事件生成时更新到影子寄存器。可设置范围为 0 至 65535。
4. TIM_ClockDivision：时钟分频，设置定时器时钟 CK_INT 频率与数字滤波器采样时钟频率分频比，基本定时器没有此功能，不用设置。
5. TIM_RepetitionCounter：重复计数器，属于高级控制寄存器专用寄存器位，利用它可以非常容易控制输出 PWM 的个数。这里不用设置。

虽然定时器基本初始化结构体有 5 个成员，但对于基本定时器只需设置其中两个就可以，使用基本定时器就是简单。

STM32定时器影子寄存器是指定时器的另一个寄存器，用于在计数器计数过程中暂存计数器的值，以确保在读取计数器值时能够获得一致和可靠的结果。这个寄存器的值在定时器的更新事件（比如计数器溢出）发生时被更新，而读取定时器的值时通常读取这个影子寄存器的值，而不是直接读取计数器寄存器的值。这样可以避免读取计数器寄存器的值时出现错误或不一致的情况。

3. 通用定时器/高级定时器

3.1 简介

通用定时器

• 通用定时器是一个通过可编程预分频器驱动的16位自动装载计数器构成。它适用于多种场合，包括测量输入信号的脉冲长度(输入捕获)或者产生输出波形(输出比较和PWM)。

• 使用定时器预分频器和RCC时钟控制器预分频器，脉冲长度和波形周期可以在几个微秒到几个毫秒间调整。

• 每个定时器都是完全独立的，没有互相共享任何资源。它们可以一起同步操作

高级定时器

• 高级控制定时器(TIM1和TIM8)由一个16位的自动装载计数器组成，它由一个可编程的预分频器驱动。它适合多种用途，包含测量输入信号的脉冲宽度(输入捕获)，或者产生输出波形(输出比较、PWM、嵌入死区时间的互补PWM等)。
• 使用定时器预分频器和RCC时钟控制预分频器，可以实现脉冲宽度和波形周期从几个微秒到几个毫秒的调节。
• 高级控制定时器(TIM1和TIM8)和通用定时器(TIMx)是完全独立的，它们不共享任何资源。它们可以同步操作，

3.2 主要资源和功能介绍

通用定时器

• 16位向上、向下、向上/向下自动装载计数器

• 16位可编程(可以实时修改)预分频器，计数器时钟频率的分频系数为1～65536之间的任意数值

• 4个独立通道：

  • 输入捕获
  • 输出比较
  • PWM生成(边缘或中间对齐模式)
  • 单脉冲模式输出

• 使用外部信号控制定时器和定时器互连的同步电路

• 如下事件发生时产生中断/DMA：

  • 更新：计数器向上溢出/向下溢出，计数器初始化(通过软件或者内部/外部触发)
  • 触发事件(计数器启动、停止、初始化或者由内部/外部触发计数)
  • 输入捕获
  • 输出比较

• 支持针对定位的增量(正交)编码器和霍尔传感器电路

• 触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理

高级定时器

TIM1和TIM8定时器的功能包括：

• 16位向上、向下、向上/下自动装载计数器
• 16位可编程(可以实时修改)预分频器，计数器时钟频率的分频系数为1～65535之间的任意数值
• 多达4个独立通道：
  • 输入捕获
  • 输出比较
  • PWM生成(边缘或中间对齐模式)
  • 单脉冲模式输出
• 死区时间可编程的互补输出
• 使用外部信号控制定时器和定时器互联的同步电路
• 允许在指定数目的计数器周期之后更新定时器寄存器的重复计数器
• 刹车输入信号可以将定时器输出信号置于复位状态或者一个已知状态
• 如下事件发生时产生中断/DMA：
  • 更新：计数器向上溢出/向下溢出，计数器初始化(通过软件或者内部/外部触发)
  • 触发事件(计数器启动、停止、初始化或者由内部/外部触发计数)
  • 输入捕获
  • 输出比较
  • 刹车信号输入
• 支持针对定位的增量(正交)编码器和霍尔传感器电路
• 触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理

3.3 定时器功能框图讲解

框图如下，主要可以分为四个模块

3.3.1 时钟源

高级控制定时器有四个时钟源可选：

• 内部时钟源 CK_INT：内部时钟 CK_INT 即来自于芯片内部，等于 72M，一般情况下，我们都是使用内部时钟。当从模
  式控制寄存器 TIMx_SMCR 的 SMS 位等于 000 时，则使用内部时钟。

• 外部时钟模式 1：外部输入引脚 TIx（x=1,2,3,4）

1. 时钟信号输入引脚：当使用外部时钟模式 1 的时候，时钟信号来自于定时器的输入通道，总共有 4 个，分别为 TI1/2/3/4，
   即 TIMx_CH1/2/3/4。具体使用哪一路信号，由 TIM_CCMRx 的位 CCxS[1:0] 配置，其中 CCMR1
   控制 TI1/2， CCMR2 控制 TI3/4

2. 滤波器：如果来自外部的时钟信号的频率过高或者混杂有高频干扰信号的话，我们就需要使用滤波器对信号重新采样，来达到降频或者去除高频干扰的目的，具体的由 TIMx_CCMRx 的位 ICxF[3:0] 配置。

3. 边沿检测:边沿检测的信号来自于滤波器的输出，在成为触发信号之前，需要进行边沿检测，决定是上升沿有效还是下降沿有效，具体的由 TIMx_CCER 的位 CCxP 和 CCxNP 配置。

4. 触发选择:当使用外部时钟模式 1 时，触发源有两个，一个是滤波后的定时器输入 1（TI1FP1）和滤波后的定时器输入 2（TI2FP2），具体的由 TIMxSMCR 的位 TS[2:0] 配置。

5. 从模式选择:选定了触发源信号后，最后我们需把信号连接到 TRGI 引脚，让触发信号成为外部时钟模式 1 的输入，最终等于 CK_PSC，然后驱动计数器 CNT 计数。具体的配置 TIMx_SMCR 的位 SMS[2:0]为 000 即可选择外部时钟模式 1。

6. 使能计数器:经过上面的 5 个步骤之后，最后我们只需使能计数器开始计数，外部时钟模式 1 的配置就算完成。使能计数器由 TIMx_CR1 的位 CEN 配置。

• 外部时钟模式 2：外部触发输入 ETR

1. 时钟信号输入引脚:当使用外部时钟模式 2 的时候，时钟信号来自于定时器的特定输入通道 TIMx_ETR，只有 1 个
2. 外部触发极性:来自 ETR 引脚输入的信号可以选择为上升沿或者下降沿有效，具体的由 TIMx_SMCR 的位 ETP
   配置。
3. 外部触发预分频器:由于 ETRP 的信号的频率不能超过 TIMx_CLK（72M）的 1/4，当触发信号的频率很高的情况下，就必须使用分频器来降频，具体的由 TIMx_SMCR 的位 ETPS[1:0] 配置。
4. 滤波器:如果 ETRP 的信号的频率过高或者混杂有高频干扰信号的话，我们就需要使用滤波器对 ETRP 信号重新采样，来达到降频或者去除高频干扰的目的。具体的由 TIMx_SMCR 的位 ETF[3:0] 配置，其中的 fDTS 是由内部时钟 CK_INT 分频得到，具体的由 TIMx_CR1 的位 CKD[1:0] 配置。

• 内部触发输入 (ITRx):内部触发输入是使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器。硬件上高级控制定时器和通用定时器在内部连接在一起，可以实现定时器同步或级联。主模式的定时器可以对从模式定时器执行复位、启动、停止或提供时钟

3.3.2 控制器

高级控制定时器控制器部分包括触发控制器、从模式控制器以及编码器接口。触发控制器用来针对片内外设输出触发信号，比如为其它定时器提供时钟和触发 DAC/ADC 转换。编码器接口专门针对编码器计数而设计。从模式控制器可以控制计数器复位、启动、递增/递减、计数。有关控制器部分只需熟练阅读寄存器描述即可。

3.3.3 时基单元

高级控制定时器时基单元功能包括四个寄存器，分别是计数器寄存器 (CNT)、预分频器寄存器(PSC)、自动重载寄存器 (ARR) 和重复计数器寄存器 (RCR)。其中重复计数器 RCR 是高级定时器独有，通用和基本定时器没有。前面三个寄存器都是 16 位有效， TIMx_RCR 寄存器是 8 位有效。

1. 预分频器 PSC:预分频器 PSC，有一个输入时钟 CK_PSC 和一个输出时钟 CK_CNT。输入时钟 CK_PSC 就是上面时钟源的输出，输出 CK_CNT 则用来驱动计数器 CNT 计数。通过设置预分频器 PSC 的值可以得到不同的 CK_CNT，实际计算为： fCK_CNT 等于 f:sub:CK_PSC/(PSC[15:0]+1)，可以实现 1 至65536 分频。
2. 计数器 CNT:高级控制定时器的计数器有三种计数模式，分别为递增计数模式、递减计数模式和递增/递减 (中心对齐) 计数模式。
   • 递增计数模式下，计数器从 0 开始计数，每来一个 CK_CNT 脉冲计数器就增加 1，直到计数器的值与自动重载寄存器 ARR 值相等，然后计数器又从 0 开始计数并生成计数器上溢事件，计数器总是如此循环计数。如果禁用重复计数器，在计数器生成上溢事件就马上生成更新事件 (UEV)；如果使能重复计数器，每生成一次上溢事件重复计数器内容就减 1，直到重复计数器内容为 0 时
     才会生成更新事件。
   • 递减计数模式下，计数器从自动重载寄存器 ARR 值开始计数，每来一个 CK_CNT 脉冲计数器就减 1，直到计数器值为 0，然后计数器又从自动重载寄存器 ARR 值开始递减计数并生成计数器下溢事件，计数器总是如此循环计数。如果禁用重复计数器，在计数器生成下溢事件就马上生成更新事件；如果使能重复计数器，每生成一次下溢事件重复计数器内容就减 1，直到重复计数器内容为 0 时才会生成更新事件。
   • 中心对齐模式下，计数器从 0 开始递增计数，直到计数值等于 (ARR-1) 值生成计数器上溢事件，然后从 ARR 值开始递减计数直到 1 生成计数器下溢事件。然后又从 0 开始计数，如此循环。每次发生计数器上溢和下溢事件都会生成更新事件。
3. 自动重载寄存器 ARR:自动重载寄存器 ARR 用来存放与计数器 CNT 比较的值，如果两个值相等就递减重复计数器。可以通过 TIMx_CR1 寄存器的 ARPE 位控制自动重载影子寄存器功能，如果 ARPE 位置 1，自动重载影子寄存器有效，只有在事件更新时才把 TIMx_ARR 值赋给影子寄存器。如果 ARPE 位为 0，则修改 TIMx_ARR 值马上有效。
4. 重复计数器 RCR:在基本/通用定时器发生上/下溢事件时直接就生成更新事件，但对于高级控制定时器却不是这样，高级控制定时器在硬件结构上多出了重复计数器，在定时器发生上溢或下溢事件是递减重复计数器的值，只有当重复计数器为 0 时才会生成更新事件。在发生 N+1 个上溢或下溢事件 (N 为RCR 的值) 时产生更新事件

通俗讲就是当CNT等于ARR时它不会直接产生中断，而是多次，而是产生(N+1)次的相等事件时,才会发生一次中断，N是RCR的值，用户可以自己设定

3.3.4 输入捕获

• 输入捕获可以对输入的信号的上升沿，下降沿或者双边沿进行捕获，常用的有测量输入信号的脉宽和测量 PWM 输入信号的频率和占空比这两种。
• 输入捕获的大概的原理就是，当捕获到信号的跳变沿的时候，把计数器 CNT 的值锁存到捕获寄存器 CCR 中，把前后两次捕获到的 CCR 寄存器中的值相减，就可以算出脉宽或者频率。如果捕获的脉宽的时间长度超过你的捕获定时器的周期，就会发生溢出，这个我们需要做额外的处理

1. 输入通道:需要被测量的信号从定时器的外部引脚 TIMx_CH1/2/3/4 进入，通常叫 TI1/2/3/4，在后面的捕获讲解中对于要被测量的信号我们都以 TIx 为标准叫法。
2. 输入滤波器和边沿检测器:当输入的信号存在高频干扰的时候，我们需要对输入信号进行滤波，即进行重新采样，根据采样定律，采样的频率必须大于等于两倍的输入信号。比如输入的信号为 1M，又存在高频的信号干扰，那么此时就很有必要进行滤波，我们可以设置采样频率为 2M，这样可以在保证采样到有效信号的基础上把高于 2M 的高频干扰信号过滤掉。
   滤波器的配置由 CR1 寄存器的位 CKD[1:0] 和 CCMR1/2 的位 ICxF[3:0] 控制。从 ICxF 位的描述可知，采样频率 fSAMPLE 可以由 fCK_INT 和 fDTS 分频后的时钟提供，其中是 fCK_INT 内部时钟， fDTS是 fCK_INT 经过分频后得到的频率，分频因子由 CKD[1:0] 决定，可以是不分频， 2 分频或者是 4分频。
   边沿检测器用来设置信号在捕获的时候是什么边沿有效，可以是上升沿，下降沿，或者是双边沿，具体的由 CCER 寄存器的位 CCxP 和 CCxNP 决定。
3. 捕获通道:捕获通道就是图中的 IC1/2/3/4，每个捕获通道都有相对应的捕获寄存器 CCR1/2/3/4，当发生捕获的时候，计数器 CNT 的值就会被锁存到捕获寄存器中。
   这里我们要搞清楚输入通道和捕获通道的区别，输入通道是用来输入信号的，捕获通道是用来捕获输入信号的通道，一个输入通道的信号可以同时输入给两个捕获通道。比如输入通道 TI1 的信号经过滤波边沿检测器之后的 TI1FP1 和 TI1FP2 可以进入到捕获通道 IC1 和 IC2，其实这就是我们后面要讲的 PWM 输入捕获，只有一路输入信号（TI1）却占用了两个捕获通道（IC1 和 IC2）。当只需要测量输入信号的脉宽时候，用一个捕获通道即可。输入通道和捕获通道的映射关系具体由寄存器 CCMRx 的位 CCxS[1:0] 配置。
4. 预分频器:ICx 的输出信号会经过一个预分频器，用于决定发生多少个事件时进行一次捕获。具体的由寄存器 CCMRx 的位 ICxPSC 配置，如果希望捕获信号的每一个边沿，则不分频。
5. 捕获寄存器:经过预分频器的信号 ICxPS 是最终被捕获的信号，当发生捕获时（第一次），计数器 CNT 的值会被锁存到捕获寄存器 CCR 中，还会产生 CCxI 中断，相应的中断位 CCxIF（在 SR 寄存器中）会被置位，通过软件或者读取 CCR 中的值可以将 CCxIF 清 0。如果发生第二次捕获（即重复捕获：CCR 寄存器中已捕获到计数器值且 CCxIF 标志已置 1），则捕获溢出标志位 CCxOF（在 SR 寄存器中）会被置位， CCxOF 只能通过软件清零

3.3.5 输出比较

输出比较可以设置定时器的输出比较通道，当定时器计数器的值与输出比较寄存器的值相等时，输出比较通道的状态就会发生变化。输出比较还可以设置定时器的自动重载寄存器的值，从而实现周期性的输出比较。输出比较通常用于PWM信号的生成、控制LED灯的亮度等应用。在STM32中，输出比较的具体实现方式可以通过寄存器的配置来完成。

1. 比较寄存器:当计数器 CNT 的值跟比较寄存器 CCR 的值相等的时候，输出参考信号 OCxREF 的信号的极性就会改变，其中 OCxREF=1（高电平）称之为有效电平， OCxREF=0（低电平）称之为无效电平，并且会产生比较中断 CCxI，相应的标志位 CCxIF（SR 寄存器中）会置位。然后 OCxREF 再经过一系列的控制之后就成为真正的输出信号 OCx/OCxN
2. 死区发生器:在生成的参考波形 OCxREF 的基础上，可以插入死区时间，用于生成两路互补的输出信号 OCx和 OCxN，死区时间的大小具体由 BDTR 寄存器的位 DTG[7:0] 配置。死区时间的大小必须根据与输出信号相连接的器件及其特性来调整。下面我们简单举例说明下带死区的 PWM 信号的应用，我们以一个板桥驱动电路为例。

在这个半桥驱动电路中， Q1 导通， Q2 截止，此时我想让 Q1 截止 Q2 导通，肯定是要先让 Q1 截止一段时间之后，再等一段时间才让 Q2 导通，那么这段等待的时间就称为死区时间，因为 Q1关闭需要时间（由 MOS 管的工艺决定）。如果 Q1 关闭之后，马上打开 Q2，那么此时一段时间内相当于 Q1 和 Q2 都导通了，这样电路会短路。
图带死区插入的互补输出 是针对上面的半桥驱动电路而画的带死区插入的 PWM 信号，图中的死区时间要根据 MOS 管的工艺来调节

3. 输出控制：在输出比较的输出控制中，参考信号 OCxREF 在经过死区发生器之后会产生两路带死区的互补信号 OCx_DT 和 OCxN_DT（通道 1~3 才有互补信号，通道 4 没有，其余跟通道 1~3 一样），这两路带死区的互补信号然后就进入输出控制电路，如果没有加入死区控制，那么进入输出控制电路的信号就直接是OCxREF。进入输出控制电路的信号会被分成两路，一路是原始信号，一路是被反向的信号，具体的由寄存器 CCER 的位 CCxP 和 CCxNP 控制。经过极性选择的信号是否由 OCx 引脚输出到外部引脚
   CHx/CHxN 则由寄存器 CCER 的位 CxE/CxNE 配置。如果加入了断路（刹车）功能，则断路和死区寄存器 BDTR 的 MOE、 OSSI 和 OSSR 这三个位会共同影响输出的信号。
4. 输出引脚：输出比较的输出信号最终是通过定时器的外部 IO 来输出的，分别为 CH1/2/3/4，其中前面三个通道还有互补的输出通道 CH1/2/3N。更加详细的 IO 说明还请查阅相关的数据手册。

4. 思维导图总结