STM32速成笔记(6)—定时器

冬至子 2023-10-24 1692

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描述

一、什么是定时器

关于什么是定时器，简单来讲，就是是用来定时的。STM32F103ZET6有两个基本定时器TIM6和TIM7，四个通用定时器TIM2~TIM5和两个高级定时器TIM1，TIM8。每一个定时器都是完全独立的，不共享任何资源。

根据中文参考手册介绍，基本定时器最为简单，类似于51单片机的定时器。通用定时器在基本定时器的基础上增加了输入捕获和输出比较功能。高级定时器相比通用定时器，又增加了可编程死区互补输出，重复计数器等功能。

STM32F103ZET6的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。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。

这里介绍一下对于定时器的个人理解。定时器的定时原理实际可以理解为按照固定的频率数数。按照固定频率就说明定时器一定要有输入时钟。比如输入为一个1KHz的时钟，那么数一个数的时间就是1ms。另外，数数也不是无限地数，数值有一个上限。可以规定是从0开始数到上限值，还是从上限值数到0。而且每次数到头，需要重新开始。比如，需要控制灯亮200ms。那么只需要在点亮LED之后，等到数到200时熄灭即可。当数到上限值或者数到0时，重新开始数。

二、定时器有什么用

定时器有许多用途，以通用定时器为例。它可以测量输入信号的脉冲宽度，产生PWM波。此外定时器也可以用于触发ADC采集，按键检测等方面。

中文参考手册介绍如下

RCC

中文参考手册对于通用定时器功能的描述

三、通用定时器详细介绍

速成选手可以线跳过这一部分，直接看下面，后来再返回来仔细看。

3.1 时钟来源

根据中文参考手册，通用定时器的时钟来源有四个。

• 内部CK_INT
• 外部触发时钟输入TIMx_ETR（外部时钟模式2）
• 内部触发输入（ITRx）：使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器
• 外部引脚输入（外部时钟模式1）

通用定时器时钟来源
通过配置TIMx_SMCR寄存器来选择，关于寄存器这里就不再详细介绍了，大家可以去看中文参考手册。

根据中文参考手册关于时钟的介绍，通用定时器挂接在APB1总线。对于APB1总线的时钟如下

RCC

APB1时钟介绍

如果APB1的预分频系数为1，那么通用定时器的输入时钟频率为36MHz，否则为72MHz。但是通常APB1总线的预分频系数我们不会设置成1，所以通用定时器的时钟频率为72MHz。

3.2 预分频器，计数器，自动重装载寄存器

RCC

预分频器，计数器和自动重装载寄存器

3.2.1 预分频器

预分频器是对时钟进行分频，范围是1~65536。比如通用定时器输入时钟频率为72MHz，此时，将预分频值设置为72，那么最终计数时的时钟频率为72MHz / 72 = 1MHz。

3.2.2 计数器

计数器就是用来计数的，计数值取值范围是0~65535。有三种计数方式：向上计数，向下计数，中央对齐模式（向上/向下计数）。

在向上计数模式中，计数器从0计数到自动加载值(TIMx_ARR计数器的内容)，然后重新从0开始计数并且产生一个计数器溢出事件。

在向下计数模式中，计数器从自动装入的值(TIMx_ARR计数器的值)开始向下计数到0，然后从自动装入的值重新开始并且产生一个计数器向下溢出事件。

在 中央对齐模式 ，计数器从0开始计数到自动加载的值(TIMx_ARR寄存器)−1，产生一个计数器溢出事件，然后向下计数到1并且产生一个计数器下溢事件；然后再从0开始重新计数。

3.2.3 自动重装载寄存器

比如，选择向下计数模式，初始值为2000。当计数到0时，会再次从2000开始向下计数。这就叫重装载。但是实际起作用的并不是这里的自动重装载寄存器，而是影子寄存器。关于影子寄存器这里就不再做介绍了，大家可以自行了解。

3.3 触发控制器

从图中的右上角可以注意到，有一个触发控制器。它可以用来触发一些外设，比如触发ADC采集，也可以用来给其他定时器提供时钟。

四、PWM

4.1 什么是PWM

PWM（脉冲宽度调制），它是一种利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的技术，也可以理解为是对模拟信号电平进行数字编码的方法。PWM可被应用于电机驱动，调光，通信等方面。

4.2 什么是占空比

一个PWM是有固定频率的，也就意味着周期一定，一个周期内有效电平持续时间占整个周期的比例可以称为占空比。比如一个周期100ms，其中50ms持续为有效电平，那么占空比就是50%。正是通过调节占空比，来调节电机转速，或者用不同占空比代表不同信号，用于通信。

4.3 STM32F1 PWM介绍

STM32F1系列单片机，除了基本定时器TIM6和TIM7外，都可以产生PWM输出。其中高级定时器TIM1和TIM8可以同时产生高达7路PWM输出。PWM输出其实就是对外输出占空比可调的方波，信号频率由自动重装载寄存器ARR的值决定，占空比由比较寄存器CCR的值决定。假设高电平为有效电平，见下图。ARR决定了周期（频率），CCR调节占空比。

RCC

PWM示意图

根据中文参考手册介绍，STM32F1的PWM比较输出模式共有8种。脉冲宽度调制模式可以产生一个由TIMx_ARR寄存器确定频率、由TIMx_CCRx寄存器确定占空比的信号。在TIMx_CCMRx寄存器中的OCxM位写入’110’(PWM模式1)或’111’(PWM模式2)，能够独立地设置每个OCx输出通道产生一路PWM。有关寄存器的内容，这里就不不再做详细介绍。

这里介绍一下8种输出模式中比较常用的两种PWM输出模式，PWM1和PWM2。其实这两种输出模式差别不大，只不过输出电平的极性不同。

RCC

4.4 PWM频率计算

频率 = (主时钟频率(72MHz) / (分频系数 + 1)) / 自动重装载值（单位为Hz）

五、通用定时器输出引脚

RCC

其他几个定时器如下

RCC

TIM2的PWM引脚

RCC

TIM4的PWM引脚

RCC

TIM5的PWM引脚

六、实战项目

这里以一个经典项目——呼吸灯，来一起熟悉一下定时器的配置和使用，要求灭—>亮—>灭，时间为2.5s。

6.1 呼吸灯

呼吸灯是指灯能够像人的呼吸一样，实现由暗到亮或由亮到暗的变化，通常用于消息提示功能，或者作为系统正在运行的提示。之前一篇博文介绍过三种呼吸灯的实现方式，这里针对普中核心板，来介绍一下如果实现呼吸灯。

6.2 实现思路

这里用两种方法来实现一下呼吸灯。分别是定时器的溢出中断和PWM。其实第一种和PWM类似，我非就是控制LED点亮时间。

• 定时器中断实现配置好预分频系数和重装载值，使每0.25ms进入一次定时器中断，记录进入中断次数（count）。当进入次数满100次之后（2.5ms），控制LED点亮的变量（t）值加1。主函数的while(1)轮询中，如果t小于等于count的时候，LED点亮，否则LED熄灭。t的值累计100加次后（2.5s），开始递减，LED由亮到灭。控制t是递增还是递减的是一个标志位（flag），初始值为0，具体可以看程序设计。
• PWM 利用PWM实现呼吸灯就更加简单了，只需要不断调节占空比即可。
66.3 定时器配置
配置通用定时器，有以下步骤
• 使能定时器时钟
• 初始化定时器参数，包括自动重装载值，分频系数，计数方式等
• 设置中断类型，并使能
• 设置中断优先级，使能定时器中断通道
• 开启定时器
• 编写定时器中断服务函数

需要注意的是，配置预分频系数时，比如设置为6，实际是6 + 1。

定时时间T = 自动重装载值 * ((预分频系数 + 1) / 主时钟频率)。主时钟频率为72MHz。（为了避免误导，这里写的主时钟频率为72MHz是APB1总线分频系数不是1的前提下。）

6.4 定时器中断实现呼吸灯

定时器配置程序如下，使用定时器2，控制LED1实现呼吸灯，由灭—>亮—>灭，时间为5秒。

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：TIM2_Iint
 *函数功能：初始化定时器2
 *输入参数：per：自动重装载值；psc：预分频系数
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void TIM2_Iint (u16 per,u16 psc)
{
    // 结构体定义
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);   // 使能TIM2时钟
    
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = per;   // 自动装载值
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;   // 分频系数
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;   // 不分频
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;   // 设置向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM_TimeBaseInitStructure);
    
    TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE);   // 开启定时器中断
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);   // 使能更新中断
    
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;   // 定时器中断通道
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2;   // 抢占优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =3;   // 子优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // IRQ通道使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); 
    
    TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);   // 使能定时器 
}

初始化时定时器的程序如下

TIM2_Iint(250,71);   // TIM2初始化

预分频系数为71 + 1 = 72，计数到250进入一次中断，也就是0.25ms进入一次中断。累计进入100次（25ms）中断开始调节一点LED的亮度。由灭到亮，累计调节100次（2.5s）。主函数和中断服务函数如下

u8 gTimIrqCunt = 0;   // 进入中断次数计数变量
u8 gLedLightCtrl = 0;   // LED亮度控制变量
u8 gLedFlag = 0;   // LED亮灭控制标志位，0：灭— >亮；1：亮— >灭

int main(void)
{
    Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
    
    while(1)
  {
        if (gLedLightCtrl <= gTimIrqCunt)
        {
            Med_Led_StateCtrl (LED1,LED_OFF);   // 熄灭LED1
        }
        if (gLedLightCtrl > gTimIrqCunt)
        {
            Med_Led_StateCtrl (LED1,LED_ON);   // 熄灭LED1
        }
    }
}

// TIM2中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void)   // TIM2中断
{
    // 产生更新中断
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        gTimIrqCunt = gTimIrqCunt + 1;   // 进入中断次数加1
        
        // 累计进入100次中断，且是由灭到亮
        if (gTimIrqCunt >= 100 && gLedFlag < 100)
        {
            gTimIrqCunt = 0;   // 清零进入中断计数变量
            gLedLightCtrl = gLedLightCtrl + 1;   // LED亮度控制变量加1
            gLedFlag = gLedFlag + 1;   // LED亮灭控制标志位加1
        }
        
        // 累计进入100次中断，且是由亮到灭
        if (gTimIrqCunt >= 100 && gLedFlag >= 100)
        {
            gTimIrqCunt = 0;   // 清零进入中断计数变量
            gLedLightCtrl = gLedLightCtrl - 1;   // LED亮度控制变量加1
            gLedFlag = gLedFlag + 1;   // LED亮灭控制标志位加1
        }
        
        // 一个亮灭周期结束
        if (gLedFlag >= 200)
        {
            gLedFlag = 0;   // 清零LED亮灭控制标志位
        }
    }
    
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);   // 清除TIM2更新中断标志
}

6.5 使用PWM实现呼吸灯

PWM配置步骤

• 使能定时器以及GPIO时钟，设置引脚复用映射
• 初始化定时器参数，包括自动重装载值，分频系数，计数方式等
• 初始化PWM输出参数，包括PWM模式，输出极性，使能等
• 开启定时器
• 修改CCRx的值来修改占空比
• 使能TIMx在CCRx上的预装载寄存器
• 使能TIMx在ARR上的预装载寄存器允许位

TIM3的通道1配置程序如下这里对引脚进行了重映射。

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：TIM3_CH1_PWM_Init
 *函数功能：初始化定时器3的PWM通道1
 *输入参数：per：自动重装载值；psc：预分频系数
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void TIM3_CH1_PWM_Init (u16 per,u16 psc)
{
    // 结构体定义
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 开启时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
    
    // 初始化GPIO
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;   // 复用推挽输出
    GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_FullRemap_TIM3,ENABLE);   // 改变指定管脚的映射 
    
    // 初始化定时器参数
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = per;   // 自动装载值
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;   // 分频系数
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;   // 设置向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitStructure); 
    
    // 初始化PWM参数
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;   // 比较输出模式
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;   // 输出极性
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;   // 输出使能
    TIM_OC1Init(TIM3,&TIM_OCInitStructure);   // 输出比较通道1初始化
    
    TIM_OC1PreloadConfig(TIM3,TIM_OCPreload_Enable);   // 使能TIMx在 CCR1 上的预装载寄存器
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM3,ENABLE);   // 使能预装载寄存器
    
    TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);   // 使能定时器
        
}

实现呼吸灯时，只需要在main函数中不断调整占空比即可，调整占空比的函数为

void TIM_SetCompare1(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare1)

这里main函数就不在列出来了。需要注意的是，设置的CCR的值，不能超过自动重装载值 - 1。

七、拓展

之前介绍按键检测时，介绍过检测按键长短按的方法。当时比较简单粗暴，这里介绍另一种，使用定时器来判断按键WK UP的长短按。假设规定，按下时间在10ms~500ms之间为短按，按下时间大于等于1s，为长按。短按LED1点亮，长按LED1熄灭。之前是利用delay来实现时间控制，现在改用定时器实现时间控制，但是基本思路都是相同的。

关于按键部分的程序这里就不再做介绍了。首先配置定时器，10ms进入一次更新中断，预分频系数为72，自动重装载值为10000。使用TIM2，定时器配置程序和上面一样，初始化程序如下填写

TIM2_Iint(10000,71);   // TIM2初始化

main函数以及中断服务函数如下

u32 gKeyDownTimeCunt = 0;   // 按键按下时间计数变量
u8 gKeyLongFlag = 0;   // 按键长按标志位
u8 gKeyShotFlag = 0;   // 按键短按标志位

int main(void)
{
    Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
    
    while(1)
  {
        // 短按
        if (gKeyShotFlag == 1)
        {
            Med_Led_StateCtrl (LED1,LED_ON);   // 点亮LED1
            gKeyShotFlag = 0;   // 清除短按标志位
        }
        
        // 长按
        if (gKeyLongFlag == 1)
        {
            Med_Led_StateCtrl (LED1,LED_OFF);   // 熄灭LED1
            gKeyLongFlag = 0;   // 清除长按标志位
        }
    }
}

// TIM2中断服务函数
    void TIM2_IRQHandler(void)   // TIM2中断
    {
        // 产生更新中断
        if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)
        {
            if (KEY_UP == 1)
            {
                gKeyDownTimeCunt = gKeyDownTimeCunt + 1;   // 时间计数变量加1
            }
            // 松开后
            else
            {
                // 短按
                if (1 <= gKeyDownTimeCunt && gKeyDownTimeCunt <= 50)
                {
                    gKeyDownTimeCunt = 0;   // 清除时间计数变量
                    gKeyShotFlag = 1;   // 短按标志位置1
                }
                // 长按
                if (gKeyDownTimeCunt >= 100)
                {
                    gKeyDownTimeCunt = 0;   // 清除时间计数变量
                    gKeyLongFlag = 1;   // 长按标志位置1
                }
            }
        }
        
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);   // 清除TIM2更新中断标志
    }

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