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【嵌入式学习笔记】嵌入式入门6——定时器TIMER

news 2025/7/22 5:36:27

1.定时器概述

1.1.软件定时原理

使用纯软件（CPU死等）的方式实现定时（延时）功能有诸多缺点，如CPU死等、延时不精准。

void delay_us(uint32_t us)
{us *= 72;while(us--);
}

1.2.定时器定时原理

使用精准的时基，通过硬件的方式，实现定时功能定时器核心就是计数器

在这里插入图片描述

1.3.STM32定时器分类

在这里插入图片描述

1.4.STM32定时器特性表

  • F1系列
    在这里插入图片描述
  • H7系列
    在这里插入图片描述

1.5.STM32基本、通用、高级定时器的功能整体区别

在这里插入图片描述

2.基本定时器（以F1为例）

2.1.基本定时器简介

  • 基本定时器：TIM6/TIM7
  • 主要特性：
    16位递增计数器（计数值：0~65535）
    16位预分频器（分频系数：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

2.2.基本定时器框图

注意：事件默认产生，可以配置为不产生；中断默认不产生，可以配置为产生。
在这里插入图片描述

2.3.定时器计数模式及溢出条件

在这里插入图片描述
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以下分别是递增、递减、中心对齐模式的实例说明
在这里插入图片描述

2.4.定时器中断实验相关寄存器

  • TIM6 和TIM7 控制寄存器 1(TIMx_CR1)
    用于设置ARR寄存器是否具有缓冲，使能/关闭计数器

有缓冲和没缓冲的区别

  • 延时1s+延时2s：在无缓冲情况下，延时1s后要重新写ARR，这个过程消耗时间导致误差；有缓冲情况下，可以在1s延时内写ARR，不会立即生效，在1s延时结束后生效，没有误差。
  • 延时1s+延时1s：不用写ARR，没有区别
    在这里插入图片描述
  • TIM6 和TIM7 DMA/中断使能寄存器(TIMx_DIER)
    用于使能更新中断
    在这里插入图片描述
  • TIM6 和TIM7 状态寄存器(TIMx_SR)
    用于判断是否发生了更新中断，由硬件置1，软件清零
    在这里插入图片描述
  • TIM6 和TIM7 计数器(TIMx_CNT)
    计数器实时数值，可用于设置计时器初始值，范围：0~65535
    在这里插入图片描述
  • TIM6 和TIM7 预分频器(TIMx_PSC)
    用于设置预分频系数，范围：0~65535，实际预分频系数等于PSC+1
    在这里插入图片描述
  • TIM6 和TIM7 自动重装载寄存器(TIMx_ARR)
    用于设置自动重装载值，范围：0~65535
    在这里插入图片描述

2.5.定时器溢出时间计算方法

在这里插入图片描述

2.6.定时器中断实验配置步骤

  • 配置定时器基础工作参数：HAL_TIM_Base_Init()
  • 定时器基础MSP初始化：HAL_TIM_Base_MspInit() 配置NVIC、CLOCK等
  • 使能更新中断并启动计数器：HAL_TIM_Base_Start_IT()
  • 设置优先级，使能中断：HAL_NVIC_SetPriority()、 HAL_NVIC_EnableIRQ()
  • 编写中断服务函数：TIMx_IRQHandler()等 -> HAL_TIM_IRQHandler()
  • 编写定时器更新中断回调函数：HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()

关键结构体

typedef struct 
{ TIM_TypeDef *Instance;            	/* 外设寄存器基地址 */ TIM_Base_InitTypeDef Init;     		/* 定时器初始化结构体*/...
}TIM_HandleTypeDef;
typedef struct 
{ uint32_t Prescaler;              	/* 预分频系数 */ uint32_t CounterMode;             	/* 计数模式 */ uint32_t Period;                  	/* 自动重载值 ARR */ uint32_t ClockDivision;             /* 时钟分频因子 */ uint32_t RepetitionCounter;   		/* 重复计数器寄存器的值 */ uint32_t AutoReloadPreload; 		/* 自动重载预装载使能 */
} TIM_Base_InitTypeDef;

在这里插入图片描述

2.7.编程实战：定时器中断实验

  • 使用定时器6，实现500ms定时器更新中断，在中断里翻转LED0
  • PSC=7199，ARR=4999为例。

代码暂不贴出

3.通用定时器（以F1为例）

3.1.通用定时器简介

  • 通用定时器：TIM2/TIM3 /TIM4 /TIM5
  • 主要特性：
    16位递增、递减、中心对齐计数器（计数值：0~65535）
    16位预分频器（分频系数：1~65536）
    可用于触发DAC、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

3.2.通用定时器框图

在这里插入图片描述

3.3.计数器时钟源

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

外部时钟模式1
在这里插入图片描述
外部时钟模式2在这里插入图片描述
内部触发
使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器（F1为例）
在这里插入图片描述

【小插曲——使用通用定时器进行定时器中断】

不同点：基本定时器只能递增计数，而通用定时器计数模式有三种
在这里插入图片描述

3.4.通用定时器PWM输出实验【输出比较】

3.4.1.通用定时器输出比较部分框图介绍

在这里插入图片描述

捕获/比较通道1的主电路—输出部分
在这里插入图片描述

捕获/比较通道的输出部分（通道1）
在这里插入图片描述

3.4.2.通用定时器输出PWM原理

假设：递增计数模式

  • ARR：自动重装载寄存器的值
  • CCRx：捕获/比较寄存器x的值
  • 当CNT < CCRx，IO输出0
  • 当CNT >= CCRx，IO输出1

总结：PWM波周期或频率由ARR决定，PWM波占空比由CCRx决定

在这里插入图片描述

3.4.3.PWM模式

在这里插入图片描述

3.4.4.通用定时器PWM输出实验配置步骤

  • 配置定时器基础工作参数：HAL_TIM_PWM_Init()
  • 定时器PWM输出MSP初始化：HAL_TIM_PWM_MspInit() 配置NVIC、CLOCK、GPIO等
  • 配置PWM模式/比较值等：HAL_TIM_PWM_ConfigChannel()
  • 使能输出并启动计数器：HAL_TIM_PWM_Start()
  • 修改比较值控制占空比(可选)：__HAL_TIM_SET_COMPARE()
  • 使能通道预装载(可选)：__HAL_TIM_ENABLE_OCxPRELOAD()

关键结构体

typedef struct 
{ uint32_t OCMode; 	  	/* 输出比较模式选择 */uint32_t Pulse; 	        /* 设置比较值 */uint32_t OCPolarity;    	/* 设置输出比较极性 */uint32_t OCNPolarity;    /* 设置互补输出比较极性 */uint32_t OCFastMode;   	/* 使能或失能输出比较快速模式 */uint32_t OCIdleState;    /* 空闲状态下OC1输出 */uint32_t OCNIdleState;  	/* 空闲状态下OC1N输出 */ 
} TIM_OC_InitTypeDef;

在这里插入图片描述

3.4.5.编程实战：通用定时器PWM输出实验

  • 通过定时器输出的PWM控制LED0，实现类似手机呼吸灯的效果。
  • 2KHz为例，PSC=71，ARR=499。
  • 配置输出比较模式为：PWM模式1，通道输出极性为：低电平有效。

代码暂不贴出

3.5.通用定时器输入捕获实验【输入捕获】

3.5.1.通用定时器输入捕获部分框图介绍

在这里插入图片描述

捕获/比较通道的输入部分（通道1）
在这里插入图片描述
捕获/比较通道1的主电路—输入部分
在这里插入图片描述

3.5.2.通用定时器输入捕获脉宽测量原理

以捕获测量高电平脉宽为例，假设：递增计数模式

  • ARR：自动重装载寄存器的值
  • CCRx1：t1时间点CCRx的值
  • CCRx2：t2时间点CCRx的值

高电平期间，计时器计数的个数：N * (ARR+1) + CCRx2
在这里插入图片描述

3.5.3.通用定时器输入捕获实验配置步骤

  • 配置定时器基础工作参数：HAL_TIM_IC_Init()
  • 定时器输入捕获MSP初始化：HAL_TIM_IC_MspInit() 配置NVIC、CLOCK、GPIO等
  • 配置输入通道映射、捕获边沿等：HAL_TIM_IC_ConfigChannel()
  • 设置优先级，使能中断：HAL_NVIC_SetPriority()、 HAL_NVIC_EnableIRQ()
  • 使能定时器更新中断：__HAL_TIM_ENABLE_IT()
  • 使能捕获、捕获中断及计数器：HAL_TIM_IC_Start_IT()
  • 编写中断服务函数：TIMx_IRQHandler()等  HAL_TIM_IRQHandler()
  • 编写更新中断和捕获回调函数：HAL_TIM_PeriodElapsedCallback() HAL_TIM_IC_CaptureCallback()

关键结构体

typedef struct
{ uint32_t ICPolarity;    /* 输入捕获触发方式选择，比如上升、下降沿捕获 */ uint32_t ICSelection; 	/* 输入捕获选择，用于设置映射关系 */ uint32_t ICPrescaler; 	/* 输入捕获分频系数 */ uint32_t ICFilter;    	/* 输入捕获滤波器设置 */ 
} TIM_IC_InitTypeDef;

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3.5.4.编程实战：通用定时器输入捕获实验

  • 通过定时器5通道1来捕获按键高电平脉宽时间，通过串口打印出来。
  • 1MHz计数频率为例，PSC=71，ARR=65535。
  • 配置输入捕获方式：上升沿捕获、输入通道1映射在TI1上、不分频、不滤波

代码暂不贴出

3.6.通用定时器脉冲计数实验【时钟源与从模式】

3.6.1.脉冲计数实验原理

在这里插入图片描述
外部时钟模式1
在这里插入图片描述

3.6.2.通用定时器脉冲计数实验配置步骤

  • 配置定时器基础工作参数：HAL_TIM_IC_Init()
  • 定时器输入捕获MSP初始化：HAL_TIM_IC_MspInit() 配置NVIC、CLOCK、GPIO等
  • 配置定时器从模式等：HAL_TIM_SlaveConfigSynchro()
  • 使能输入捕获并启动计数器：HAL_TIM_IC_Start()
  • 获取计数器的值：__HAL_TIM_GET_COUNTER()
  • 设置计数器的值：__HAL_TIM_SET_COUNTER()

关键结构体

typedef struct 
{ uint32_t SlaveMode;             /* 从模式选择 */ uint32_t InputTrigger;          /* 输入触发源选择 */ uint32_t TriggerPolarity;      	/* 输入触发极性 */ uint32_t TriggerPrescaler;   	/* 输入触发预分频 */ uint32_t TriggerFilter;        	/* 输入滤波器设置 */ 
} TIM_SlaveConfigTypeDef;

在这里插入图片描述

3.6.3.编程实战：通用定时器脉冲计数实验

  • 将定时器2通道1输入的高电平脉冲作为定时器2的时钟，并通过串口打印脉冲数。
  • PSC=0，ARR=65535
  • 配置从模式：外部时钟模式1、触发选择、上升沿触发、不分频、不滤波

代码暂不贴出

4.高级定时器（以F1为例）

4.1.高级定时器简介

  • 高级定时器 ：TIM1/TIM8
  • 主要特性：
    16位递增、递减、中心对齐计数器（计数值：0~65535）
    16位预分频器（分频系数：1~65536）
    可用于触发DAC、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
    死区时间带可编程的互补输出
    断路输入，用于将定时器的输出信号置于用户可选的安全配置中

4.2.高级定时器框图

在这里插入图片描述

4.3.高级定时器输出指定个数PWM实验【重复计数】

4.3.1.重复计数器特性

在这里插入图片描述

4.3.2.高级定时器输出指定个数PWM实验原理

在这里插入图片描述

4.3.3.高级定时器输出指定个数PWM实验配置步骤

  • 配置定时器基础工作参数：HAL_TIM_PWM_Init()
  • 定时器PWM输出MSP初始化：HAL_TIM_PWM_MspInit() 配置NVIC、CLOCK、GPIO等
  • 配置PWM模式/比较值等：HAL_TIM_PWM_ConfigChannel()
  • 设置优先级，使能中断：HAL_NVIC_SetPriority()、 HAL_NVIC_EnableIRQ()
  • 使能定时器更新中断：__HAL_TIM_ENABLE_IT()
  • 使能输出、主输出、计数器：HAL_TIM_PWM_Start()
  • 编写中断服务函数：TIMx_IRQHandler()等 -> HAL_TIM_IRQHandler()
  • 编写更新中断回调函数：HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()

关键结构体

typedef struct 
{ uint32_t OCMode; 	  	/* 输出比较模式选择 */uint32_t Pulse; 	        /* 设置比较值 */uint32_t OCPolarity;    	/* 设置输出比较极性 */uint32_t OCNPolarity;    /* 设置互补输出比较极性 */uint32_t OCFastMode;   	/* 使能或失能输出比较快速模式 */uint32_t OCIdleState;    /* 空闲状态下OC1输出 */uint32_t OCNIdleState;  	/* 空闲状态下OC1N输出 */ 
} TIM_OC_InitTypeDef;

在这里插入图片描述

4.3.4编程实战：高级定时器输出指定个数PWM实验

  • 通过定时器8通道1实现指定个数PWM输出，用于控制LED1的亮灭
  • 2Hz为例，PSC=7199，ARR=4999
  • 配置输出比较模式为：PWM模式1
  • 通道输出极性为：高电平有效
  • 占空比：50%

代码暂不贴出

4.4.高级定时器输出比较模式实验【输出比较-翻转】

4.4.1.高级定时器输出比较模式实验原理

  • 输出比较模式：翻转
  • 当CNT = CCRx，OCxREF电平翻转

总结：PWM波周期或频率由ARR决定，占空比固定50%，相位由CCRx决定
在这里插入图片描述

4.4.2.高级定时器输出比较模式实验配置步骤

  • 配置定时器基础工作参数：HAL_TIM_OC_Init()
  • 定时器输出比较MSP初始化：HAL_TIM_OC_MspInit() 配置NVIC、CLOCK、GPIO等
  • 配置输出比较模式等：HAL_TIM_OC_ConfigChannel()
  • 使能通道预装载：__HAL_TIM_ENABLE_OCxPRELOAD()
  • 使能输出、主输出、计数器：HAL_TIM_OC_Start()
  • 修改捕获/比较寄存器的值：__HAL_TIM_SET_COMPARE()

关键结构体

typedef struct 
{ uint32_t OCMode; 	  	/* 输出比较模式选择 */uint32_t Pulse; 	        /* 设置比较值 */uint32_t OCPolarity;    	/* 设置输出比较极性 */uint32_t OCNPolarity;    /* 设置互补输出比较极性 */uint32_t OCFastMode;   	/* 使能或失能输出比较快速模式 */uint32_t OCIdleState;    /* 空闲状态下OC1输出 */uint32_t OCNIdleState;  	/* 空闲状态下OC1N输出 */ 
} TIM_OC_InitTypeDef;

在这里插入图片描述

4.4.3.编程实战：高级定时器输出比较模式实验

  • 通过定时器8通道1/2/3/4输出相位分别为25%、50%、75%、100%的PWM
  • 1KHz为例，PSC=71，ARR=999
  • 配置输出比较模式为：翻转
  • 通道输出极性为：高电平有效

代码暂不贴出

4.5.高级定时器互补输出带死区控制实验【互补输出、死区、刹车】

4.5.1，互补输出，带死区控制

在这里插入图片描述

4.5.2，带死区控制的互补输出应用之H桥

由于元器件是有延迟特性，所以需要加上死区时间控制
在这里插入图片描述

4.5.3，捕获/比较通道的输出部分(通道1至3)

在这里插入图片描述

4.5.4，死区时间计算

在这里插入图片描述

4.5.5，刹车(断路)功能

  • 使能刹车功能：将TIMx_BDTR的BKE位置1，刹车输入信号极性由BKP位设置
  • 使能刹车功能后：由TIMx_BDTR的MOE、OSSI、OSSR位，TIMx_CR2的OISx、OISxN位，TIMx_CCER的CCxE、CCxNE位控制OCx和OCxN输出状态
    无论何时，OCx和OCxN输出都不能同时处在有效电平
    在这里插入图片描述
    发生刹车后的现象
  1. MOE位被清零，OCx和OCxN为无效、空闲或复位状态(OSSI位选择)
  2. OCx和OCxN的状态：由相关控制位状态决定，当使用互补输出时：根据情况自动控制输出电平，参考参考手册使用刹车(断路)功能小节
  3. BIF位置1，如果使能了BIE位，还会产生刹车中断；如果使能了TDE位，会产生DMA请求
  4. 如果AOE位置 1，在下一个 更新事件UEV时，MOE位被自动置 1

4.5.6，高级定时器互补输出带死区控制实验配置步骤

1，配置定时器基础工作参数HAL_TIM_PWM_Init()

2，定时器PWM输出MSP初始化HAL_TIM_PWM_MspInit() 配置NVIC、CLOCK、GPIO等

3，配置PWM模式/比较值等HAL_TIM_PWM_ConfigChannel()

4，配置刹车功能、死区时间等HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime()

5，使能输出、主输出、计数器HAL_TIM_PWM_Start()

6，使能互补输出、主输出、计数器HAL_TIMEx_PWMN_Start()

关键结构体

typedef struct 
{ uint32_t OCMode; 	  	/* 输出比较模式选择 */uint32_t Pulse; 	        /* 设置比较值 */uint32_t OCPolarity;    	/* 设置输出比较极性 */uint32_t OCNPolarity;    /* 设置互补输出比较极性 */uint32_t OCFastMode;   	/* 使能或失能输出比较快速模式 */uint32_t OCIdleState;    /* 空闲状态下OC1输出 */uint32_t OCNIdleState;  	/* 空闲状态下OC1N输出 */ 
} TIM_OC_InitTypeDef;
typedef struct 
{uint32_t OffStateRunMode;    /* 运行模式下的关闭状态选择 */ uint32_t OffStateIDLEMode;   /* 空闲模式下的关闭状态选择 */ uint32_t LockLevel; 		 /* 寄存器锁定设置 */ uint32_t DeadTime; 	         /* 死区时间设置 */ uint32_t BreakState; 	     /* 是否使能刹车功能 */ uint32_t BreakPolarity;		 /* 刹车输入极性 */ uint32_t BreakFilter; 		 /* 刹车输入滤波器(F1/F4系列没有) */ uint32_t AutomaticOutput; 	 /* 自动恢复输出使能，即使能AOE位 */
} TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef;

在这里插入图片描述

4.5.7，编程实战：高级定时器互补输出带死区控制实验

  • 通过定时器1通道1输出频率为1KHz，占空比为70%的PWM，使用PWM模式1
  • 使能互补输出并设置死区时间控制：设置DTG为100(5.56us),进行验证死区时间是否正确
  • 使能刹车功能：刹车输入信号高电平有效，配置输出空闲状态等，最后用示波器验证
  • 1KHz为例，PSC=71，ARR=999
  • 以H桥为例，配置通道输出极性以及互补输出极性

4.6.高级定时器PWM输入模式实验【输入捕获+从模式】

4.6.1.PWM输入模式工作原理

在这里插入图片描述

4.6.2.PWM输入模式时序

在这里插入图片描述

4.6.3.高级定时器PWM输入模式实验配置步骤

  • 配置定时器基础工作参数：HAL_TIM_IC_Init()
  • 定时器捕获输入MSP初始化：HAL_TIM_IC_MspInit() 配置NVIC、CLOCK、GPIO等
  • 配置IC1/2映射、捕获边沿等：HAL_TIM_IC_ConfigChannel()
  • 配置从模式，触发源等：HAL_TIM_SlaveConfigSynchro()
  • 设置优先级，使能中断：HAL_NVIC_SetPriority()、 HAL_NVIC_EnableIRQ()
  • 使能捕获、捕获中断及计数器：HAL_TIM_IC_Start_IT()、 HAL_TIM_IC_Start()
  • 编写中断服务函数：TIMx_IRQHandler()等  HAL_TIM_IRQHandler()
  • 编写输入捕获回调函数：HAL_TIM_IC_CaptureCallback()
typedef struct
{ uint32_t ICPolarity;    	/* 输入捕获触发方式选择，比如上升、下降沿捕获 */ uint32_t ICSelection; 		/* 输入捕获选择，用于设置映射关系 */ uint32_t ICPrescaler; 		/* 输入捕获分频系数 */ uint32_t ICFilter;         	/* 输入捕获滤波器设置 */ 
} TIM_IC_InitTypeDef;
typedef struct 
{ uint32_t SlaveMode;       	/* 从模式选择 */ uint32_t InputTrigger;     	/* 输入触发源选择 */ uint32_t TriggerPolarity;  	/* 输入触发极性 */ uint32_t TriggerPrescaler; 	/* 输入触发预分频 */ uint32_t TriggerFilter;   	/* 输入滤波器设置 */ 
} TIM_SlaveConfigTypeDef;

在这里插入图片描述

4.6.4.编程实战：高级定时器PWM输入模式实验

  • 通过定时器3通道2（PB5）输出PWM
  • 将PWM输入到定时器8通道1（PC6），测量PWM的频率/周期、占空比等信息
  • 72MHz采样频率( 精度约13.8ns )，PSC=0，ARR=65535
  • 不考虑溢出情况下，测量的最长PWM周期为910.2us

代码暂不贴出

5.实验汇总

序号定时器类型实现功能要点
1基础定时器定时器中断基础配置
2通用定时器PWM输出输出比较
3通用定时器输入脉冲测宽输入捕获
4通用定时器脉冲计数从模式（时钟源）
5高级定时器输出n个PWM输出比较+重复计数
6高级定时器【通用】多相位PWM输出比较（翻转模式）
7高级定时器互补输出PWM输出比较+死区控制（互补输出、刹车）
8高级定时器【通用】PWM测量输入捕获+从模式

重要结构体汇总

  • 定时器基本参数：TIM_Base_InitTypeDef
  • 输出比较设置：TIM_OC_InitTypeDef
  • 输入捕获设置：TIM_IC_InitTypeDef
  • 从模式设置：TIM_SlaveConfigTypeDef
  • 刹车与死区控制：TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef
http://www.lryc.cn/news/110736.html

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