【STM32】定时器

定时器就像Qt的QTimer，还是硬件级的，超好用。不过有一说一，基本定时器更符合定时器的定义，通用定时器和高级定时器的作用已经不是“定时器”三个字可以概括的了。

大部分图片来源：正点原子HAL库课程

 专栏目录：记录自己的嵌入式学习之路-CSDN博客

目录

1    定时器类型

2    计时器的几种溢出模式

3    芯片定时器参数及性质查询

4    关于计数器计数值的计算

5    常用公共函数

5.1    定时器计数器清零

5.2    获取计数器当前值

5.3    开启中断

5.4    启用xx功能及其对应中断

5.5    启用xx功能但不启用其对应中断

5.6    清除标志位

6    基本定时器

6.1    特性

6.2    原理

6.3    溢出时间计算方法

6.4    配置步骤

6.5    用到的函数

6.6    注意事项⚠️

7    输出比较模式

7.1    PWM1/PWM2模式

7.2    翻转模式

8    通用定时器

8.1    特性

8.2    原理

8.3    配置PWM输出模式

8.4    配置PWM输出模式相关函数

8.5    输入捕获

8.6    输入捕获配置步骤

8.7    脉冲计数

8.8    脉冲计数配置步骤

9    高级定时器

9.1    特性

9.2    重复计数器

9.3    输出指定个数的PWM

9.4    输出比较模式配置步骤（输出翻转模式实验）

9.5    带死区控制的互补输出

9.6    带死区控制的互补输出配置步骤

9.7    刹车（断路）功能

9.8    PWM输入模式

10    公共注意事项

10.1    BASE_Init和功能_Init之间的MsInit矛盾

10.2    HAL_TIM_IC_Start和HAL_TIM_IC_Start_IT的区别

10.3    while等待状态变化和中断回调不要同时使用

10.4    上升沿和下降沿的监测和切换

1    定时器类型

2    计时器的几种溢出模式

3    芯片定时器参数及性质查询

芯片资料文档，如：《STM32F103ZET6.pdf》

4    关于计数器计数值的计算

• 计数次数实际上是计数器值+1，因为计数器是从0开始计数的。我的理解是它计的第一次是0，后面是1，所以实际计数次数才是要加一的；
• 关于PWM占空比的计算，由于占空比是由ARR和CCR共同决定的，而计算式子中ARR总是会被＋1，同理计算时CCR应当也要加一，因此设置占空比计算一般都是这样的：
  • 占空比 = (CRR+1) / (ARR+1)

5    常用公共函数

5.1    定时器计数器清零

__HAL_TIM_SET_COUNTER(定时器句柄地址, 0);

5.2    获取计数器当前值

__HAL_TIM_GET_COUNTER(定时器句柄地址);

5.3    开启中断

__HAL_TIM_ENABLE_IT(定时器句柄地址, 中断类型);

5.4    启用xx功能及其对应中断

HAL_TIM_xx_Start_IT (定时器句柄, 通道);

5.5    启用xx功能但不启用其对应中断

HAL_TIM_xx_Start (定时器句柄, 通道);

5.6    清除标志位

__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(定时器句柄, 标志位类型);

常见用于清除比较捕获的标志位：

__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&tim_ic_handle, TIM_FLAG_CC2);

6    基本定时器

        TIM6/TIM7

6.1    特性

• 16位递增计数器（0~65535）
• 16位预分频器（1~65536）
• 可用于触发DAC
• 在更新事件（计数器溢出）时，会产生中断/DMA请求
• 并不与具体的IO绑定，只能用作普通的计时器（时基），就像Qt里面的QTimer

6.2    原理

• 16位递增计数器
• 时钟源：内部RCC时钟的TIMx_CLK
• 当CNT计数器的值等于重载影子寄存器的值时，发生溢出。溢出后可产生：①更新事件（默认产生）；②中断和DMA输出（默认不产生）。

        其具有一个影子寄存器的概念，即图上的影子，自动重装载寄存器和PSC寄存器都有其对应的影子寄存器。它实际上是真正起作用的寄存器，需要有更新事件后才会将其原生寄存器的值加载至影子寄存器中（除非将ARPE位设置为无缓冲，那就设置了原生就直接加载到ARR寄存器）。我个人觉得可以理解为：新的配置需要在原有定时器结束后才会生效。

        影子寄存器开启缓冲的作用：假设需要LED灯先亮1秒再灭2秒，那要是等一秒后再让它灭，再修改ARR寄存器，那就会存在一定的误差。而如果开启ARR的缓冲，就可以在等待1秒期间就设置后面的2秒，等1秒完毕后它自己就自动配置了。

6.3    溢出时间计算方法

6.4    配置步骤

6.5    用到的函数

6.6    注意事项⚠️

• TIM句柄中需要关注的结构体成员：TIM_TypeDef、TIM_Base_InitTypeDef
• 对于基本定时器来说TIM_Base_InitTypeDef结构体中的计数模式CounterMode、时钟分频因子ClockDivision、重复计数器寄存器RepetitionCounter都是无效的
• 其中AutoReloadPreload就是是否启用预装载，即是否使用影子寄存器的意思，启用了就有一个对ARR寄存器的缓冲作用，不启用就一修改就直接改变其影子寄存器；
• 使用TIM时外设需要导入的除了stm32f1xx_hal_tim.c外，还有stm32f1xx_hal_tim_ex.c，否则会编译失败。

7    输出比较模式

PWM有八种模式

• TIM_OCMODE_TIMING：冻结，输出比较不起作用
• TIM_OCMODE_ACTIVE：当计数值为比较/捕获寄存器值相同时，强制输出为高电平
• TIM_OCMODE_INACTIVE：当计数值为比较/捕获寄存器值相同时，强制输出为低电平
• TIM_OCMODE_TOGGLE：当计数值与比较/捕获寄存器值相同时，翻转输出引脚的电平
• TIM_OCMODE_PWM1：向上计数时，当TIMx_CNT < TIMx_CCR*时，输出电平有效，否则为无效；向下计数时，当TIMx_CNT > TIMx_CCR*时，输出电平无效，否则为有效
• TIM_OCMODE_PWM2：与PWM1相反
• TIM_OCMODE_FORCED_ACTIVE：强制为有效电平
• TIM_OCMODE_FORCED_INACTIVE：强制为无效电平

7.1    PWM1/PWM2模式

• PWM1和PWM2，其实就是什么时候输出有/无效电平的差别；
• PWM的占空比由CCRx决定。
   

7.2    翻转模式

• 关于周期
  • 从上图可看出一个周期计数为2*(ARR+1)次，而计数一次的时间为(PSC+1)/Ft，因此周期为Ft/(2×(ARR+1)×(PSC+1) )，也就是说PWM的周期是溢出周期的二分之一。
• 关于占空比
  • 占空比是50%，只要是反转模式就是50%
• 关于相位
  • 相位由CCR决定

8    通用定时器

        TIM2/TIM3/TIM4/TIM5

8.1    特性

• 16位递增、递减、中心对齐计数器（0~65535）
• 16位预分频器（1~65536）
• 可用于触发DAC和ADC
• 在更新事件、触发事件、输入捕获、输出比较时，会产生中断/DMA请求
• 4个独立通道，可用于：输入捕获、输出比较、输出PWM、单脉冲模式
• 使用外部信号控制定时器且可实现多个定时器互连的同步电路
• 支持编码器和霍尔传感器电路等

8.2    原理

        16位递增计数器

• 时钟源（4个）：

        (1)    内部时钟：RCC时钟的TIMx_CLK（APB）

        (2)    外部时钟模式1：TIx（通道1和通道2的引脚信号）【注意⚠️！外部时钟模式1仅CH1和CH2可用】

        (3)    外部时钟模式2：外部IO口复用触发输入TIMx_ETR，每个定时器只有一个ETR引脚功能

        (4)    内部触发输入ITRx：与内部或外部其他定时器进行级联

        内部时钟模式意味着使用内部时钟频率做计数，就像基本定时器一样；外部时钟模式即使用外部的上升沿、下降沿信号来触发计数器的改变

• 滤波器原理：

        要采样到N次相同的信号才输出一个信号

8.3    配置PWM输出模式

• 时钟来源：内部时钟；
• PWM的占空比由CCRx决定。

• 其中使能通道预装载即启用CCR影子寄存器的缓冲功能，与ARR的预装载功能类似。

8.4    配置PWM输出模式相关函数

• 需要关注的结构体：TIM_OC_InitTypeDef
   
  • 仅需要关注前三个结构体成员；
  • OCPolarity是用来定义有效电平是高电平还是低电平的；
  • 注意⚠️：赋值OCPolarity的时候千万别写成OCNPolarity

8.5    输入捕获

• 作用：
  • 测量脉宽
• 原理：
  • 四个通道皆可用于输入捕获
  • 时钟来源：内部时钟
  • 在检测到上升沿和下降沿时读到捕获寄存器的值，通过两次读取间捕获寄存器的差值（实际上是计数器的差值）以及记一次数所需时间，就可以知道脉宽。

• 计一个数所花时间：(PSC+1) / Ft 【（分频系数+1）/定时器时钟源频率】

8.6    输入捕获配置步骤

• 需要关注的结构体：TIM_IC_InitTypeDef

        分频系数：就是设置多少个上升沿/下降沿才产生一次计数；

• 重点：与基本定时器及PWM输出不同，输入捕获并不是很在意计数器溢出的时间（6.3），其更关注计数频率，计数频率越高得到的脉宽精度才会越高，6.3这条式子就不是用来倒着用来求移出时间了，而是：
  • 先决定计数频率，再决定溢出条件ARR。其中我觉得ARR可以设置为最大值65535，因为其越大，计算脉宽是需要存储的溢出次数就越小；
• 如果要捕获脉宽，就需要在捕获回调里面写切换的代码，在捕获到上升沿后，将捕获模式改成下降沿检测。
  • 注意⚠️！修改配置前为了保险可先关闭定时器，修改完毕后再打开
  • 注意⚠️！修改配置时必须先清除上一配置！
    
• 获取捕获值的函数为：HAL_TIM_ReadCapturedValue

8.7    脉冲计数

• 原理：
  • 时钟来源：外部时钟模式1，即通道1或通道2的输入。或TIMx_ETR引脚的输入，每个定时器只有一个ETR引脚功能；
  •  特性（外部1）：来源于通道1或通道2的输入，有经边缘检测和不经边缘检测两种可选的信号作为时钟源，分别为TIxFPy和TI1F_ED。若为不经检测，则上升沿和下降沿都会分别触发一次计数，若经，就只会触发一个。
  • 特性（外部2）：一定会经过边缘检测器，所以无需考虑上面的情况。

8.8    脉冲计数配置步骤

• 需要关注的函数和结构体
  • HAL_TIM_SlaveConfigSynchro函数，用于配置从模式控制器，使得计数器使用外部时钟；
  • TIM_SlaveConfigTypeDef结构体，用于配置从模式
    • 从模式选择：用于选择外部时钟模式1；
    • 输入触发源选择：可选择TIxFP1（单边）、TIxFP2（单边）、TI1F_ED（双边）；
    • 输入触发极性：上升、下降或者双边沿；
    • 预分频：外1模式没有，外2模式才有；
    • 滤波器：选择滤波；

9    高级定时器

        TIM1/TIM8

9.1    特性

• 16位递增、递减、中心对齐计数器（0~65535）
• 16位预分频器（1~65536）
• 可用于触发DAC和ADC
• 在更新事件、触发事件、输入捕获、输出比较时，会产生中断/DMA请求
• 4个独立通道，可用于：输入捕获、输出比较、输出PWM、单脉冲模式
• 使用外部信号控制定时器且可实现多个定时器互连的同步电路
• 支持编码器和霍尔传感器电路等
• 重复计数器（比通用定时器多的功能）
• 死区时间带可编程的互补输出，但仅通道1到通道3有互补输出通道，通道4没有（比通用定时器多的功能）
• 断路（刹车）输入，用于将定时器的输出信号置于用户可选的安全配置中（比通用定时器多的功能）
• 使用高级定时器的输出功能时，必须将TIMx_BDTR寄存器的MOE位置1，否则无法输出

9.2    重复计数器

高级定时器与普通定时器不同，其可设置为单纯产生溢出时并不产生定时器更新事件，而是几次溢出后才产生一次更新事件。具体的更新事件发出条件由TIMx的RCR寄存器进行设置。如果设置RCR为N，则更新事件将在N+1次溢出时发生。

9.3    输出指定个数的PWM

• 原理：
  • 因为在边沿对齐模式下，定时器溢出周期对应着PWM周期，我们只要在更新事件发生时，停止输出PWM就行。

• 关键结构体
  
• 需要注意的点
  • 高级定时器需要对其句柄.Init.RepetitinCounter（即重复计数器的初始值）进行设定

9.4    输出比较模式配置步骤（输出翻转模式实验）

• 需要关注的结构体
  • 依然是只关注前三个就足够了

9.5    带死区控制的互补输出

• 概念
  • 死区
    • 在死区中，输出通道和互补输出通道的电平都是无效电平；
    • 死区控制的存在是为了解决元器件传输电平过程中造成的延时。以电机控制为例，就是使用互补输出使得下图交叉导通分别实现正传和反转，但是正反转切换过程中由于元器件的延时特性，有可能会造成在某一时刻双边的三极管同时导通导致VCC直接连接到了GND，因此需要人为在电机切换正反转方向时创造一个死区，使得电机是先关闭再切换方向，从而避免了短路烧毁。
  • 注意⚠️
    • 任何时候输出和互补输出都不能同时处于有效电平，这个硬件上就决定了，若软件上同时输出有效电平，则都会变成无效电平；
• 死区时间计算
  

9.6    带死区控制的互补输出配置步骤

• 关键结构体1
  • 这次除了OCFastMode以外全都用上了；
  • 其中最后两个成员就是上文所说的刹车完毕后空闲状态的电平设置；
  • 注意⚠️：上述最后两个不能都是其自身的有效电平，否则会被硬件强制赋值为两个无效电平，就像上文说的一样：“任何时候输出和互补输出都不能同时处于有效电平，这个硬件上就决定了，若软件上同时输出有效电平，则都会变成无效电平”
• 关键结构体2
  • 寄存器锁定：一般用不到
  • 刹车输入极性：指定高电平是刹车还是低电平是刹车
  • 自动恢复输出使能：允许刹车结束后自动恢复输出
  • 注意⚠️！死区时间DeadTime是DTG寄存器的值，并不是真正的死区时间，真正的死区时间需要通过死区时间计算公式算出来。
• 值得注意的是，按照例程跑出来的死区时间是在输出信号的下降沿后上升沿前的，如下图，要考虑一下如果要实现上升沿后下降沿前，可能就不是这样了。按我的理解来说，是将输出和互补输出的极性都设置为低电平有效应该就可以实现了。但是也不是那么确定，毕竟没有示波器做实验。⚠️⚠️⚠️因此，后续要使用到死区时间的时候必须弄清楚这个问题才行！！！

9.7    刹车（断路）功能

• 刹车发生后：
• 关于刹车互补输出的设置可以看STM32F1XX参考手册的13.4.9，重点是表75，其中关于空闲状态的描述挺有意思，就是刹车后会进入空闲状态，而空闲状态的输出和互补输出电平由OISx和OISxN寄存器来决定。

9.8    PWM输入模式

• 作用：测量输入PWM波的参数；
• 测量精度：由计数器工作频率决定，要是计数器选择内部时钟源，而APB对计数器时钟又没有分频，那么测量精度就是1/72000000s（计一次数的时间数值是这样，但是单纯这样表示精度我不知道对不对，我瞎写的）
• 原理：记录PWM信号的上升沿、下降沿、下一个上升沿的对应计数值，再用它们和计一次数的时间相乘，即可计算其占空比和周期了；
• 例程中选用的方法：
  • 将IC1和IC2同时映射到TIMx_CH1上；
  • IC1使用上升沿触发，IC2使用下降沿触发；
  • 从模式控制器设置为复位模式，利用TI1FP1的上升沿信号触发。当从模式控制器为复位模式时，TI1FP1的信号会使计数器CNT重新初始化为0（递增计数）或者ARR（递减计数，一般用递增，因为好算）；
• 注意⚠️：
  • 只有通道1和通道2可以用于测量，因为通道3和通道4没有响应的TI1FP1信号用于触发CNT复位；
• 配置方法：

• 关键结构体
• 仅需使用前两个成员；
  • 从模式选择：选复位模式
  • 触发源：TI1FP1或TI1FP2
  • 触发极性：就是用于配置TI1FP1或TI1FP2产生前的上升沿、下降沿检测器
  • 剩下的两个用不到；
• 注意⚠️：
  • 需要使用定时器的捕获比较中断：TIMx_CC_IRQHandler
  • TIM_IC_InitTypeDef中的ICSelection，意思为选择ICx的映射关系，如IC1映射到TI1上，就选TIM_ICSELECTION_DIRECTTI，如IC2也映射到TI1上，就选TIM_ICSELECTION_INDIRECTTI，索引到其注释可以看到下图所述的内容，即映射关系，根据映射关系选就行了，也是一个分组选取的东西。
  • 在中断处理回调函数中，可通过htim->Channel来判断中断处理函数响应的通道，来区分TI1和TI2，如下图：
  • 获取捕获值：HAL_TIM_ReadCapturedValue

10    公共注意事项

10.1    BASE_Init和功能_Init之间的MsInit矛盾

当HAL_TIM_PWM_Init和HAL_TIM_Base_Init函数先后调用时，后调用的函数的MsInit函数将不被执行，因为外设Init函数中有对外设进行状态判断的代码，只要执行过一次Init，那么其State就不是Reset状态的了，因此就不会执行另一个Init函数的MsInit函数。

注意⚠️：

        对同一个外设执行多次不同层级的Init函数的话，只能在第一个Init函数的MsInit函数中写相关的初始化函数。

10.2    HAL_TIM_IC_Start和HAL_TIM_IC_Start_IT的区别

HAL_TIM_IC_Start是只启动输入捕获，不使能其捕获中断；而HAL_TIM_IC_Start_IT是在启动输入捕获的同时也启动输入捕获的中断，相当于在HAL_TIM_IC_Start后同时调用__HAL_TIM_ENABLE_IT(htim, TIM_IT_CCx)而已。

如果是使用HAL_TIM_IC_Start_IT，那就必须定义其中断处理函数以及回调处理函数了。不然中断产生后，程序会一直中断，无法执行下去，这俩任意少写一个都会这样。

10.3    while等待状态变化和中断回调不要同时使用

标题说可能说不太清楚，这里举一个例子：

假设需要输入捕获一个上升沿，如果你开启了输入捕获的中断，并编写了中断服务函数和输入捕获回调函数（哪怕没有内容，当然公共中断处理函数还是要调用的），而同时你又有一个while循环用来计算输入捕获的产生时间，那么这个while就是不准的了。如下图这样的while，在启用了IC中断后这个函数返回的就不是TPAD_TIMX_CAP_CHY_CCRX值了，而是中间那个CNT。

• 原因分析：

        在中断产生后，中断服务中的外设公共中断服务函数会将中断的标志位清除，从而使得while循环多次直至满足超时条件。

• 更严重的后果：

        若在所述的while循环体中，加入了一点耗时的函数，哪怕就是单纯的读取CNT，就有可能造成连超时条件都是难以达成。因为稍微耗时一点点的函数都有可能导致CNT溢出，从而重新计数，极大可能最终导致一直卡在循环中，一直无法满足超时条件而退出。

        因此，假设真的需要添加耗时函数在其中，最好是使能一下TIM的Update事件，从而记录下溢出的次数，再从而记录下真实的累积CNT来进行超时判断。 

10.4    上升沿和下降沿的监测和切换

• 监测：
  • 方法一：使用标志位，自己有变量存储上升沿和下降沿的检测到与否的状态，那就知道现在来的是上升沿还是下降沿；
  • 方法二：在回调处理函数中，检测GPIO的值，要是为高电平，那肯定就是上升沿；要是为低电平，那就肯定为下降沿；
• 切换：
  • 使用TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY()函数先清除，再使用TIM_SET_CAPTUREPOLARITY()函数重新设定为另一个边沿检测；