STM32F4系列单片机的定时器讲解和计数器,PWM信号输出,PWM信号捕获的实现对电机进行控制和监测功能

1.定时器功能介绍:

在控制领域里面,我们可以用信号输出定时器,进行PWM的控制,从而达到控制电机的目的,通过输入捕获功能可以用来接收外部的数字信号,用于测量脉冲宽度、频率或周期等。在这里给大家介绍下,具体用定时器做计数,输出和捕获的功能实现。

STM32F4一共有三种14个定时器。(12个16位的,2个32位的),STM32F1系列只有8个16位的。

**高级定时器:**TIM1、TIM8。通常用于特定领域和专业需求用户使用的精密计时工具,通常适用于需要精度更高的领域。通常可以精确到毫秒或更小的时间单位,并具有更复杂的逻辑和算法。

**通用定时器:**TIM2、TIM5、TIM3、TIM4,TIM9~TIM14。

**基本定时器:**TIM6、TIM7,没有捕获等通道,用作简单定时。

STM32通用定时器可以被用于: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)等。

2.计数定时器配置

在STM32F429上实现TIM6的计时,可以通过以下步骤进行:

  1. 使能TIM6时钟。

  2. 初始化TIM6时基单元,设置时钟分频系数和计数周期。

  3. 使能更新中断(如果需要)。

  4. 使能TIM6。

  5. 等待中断处理(如果使能了中断)。

以下是一个简单的示例代码,展示如何使用HAL库函数来配置TIM6作为一个简单的计时器:

cpp 复制代码
/* 注意:1. 中断相关名称。注意基本定时器TIM6 的中断名为 TIM6_DAC_IRQn,< TIM6 global and DAC1&2 underrun error  interrupts>,其他一些定时器为 TIMx_IRQn(x=2,3,4,7 etc)	*/
/* 中断函数名为 TIM6_DAC_IRQHandler(),而不是 TIM6_IRQHandler()		*/
/* 3. 基本定时器(TIM6, TIM7),通用定时器,高级定时器(TIM1, TIM8),功能越来越多,此处只做个简单计时,基本定时器足够了	*/

#include "timer.h"

uint32_t tim = 0;						// 全局变量,每0.1ms加1
TIM_HandleTypeDef TIM6_Handler;      	//定时器句柄 

/* 基本定时器6初始化						*/
/* 实现 0.1ms 计时中断					*/
/* 90M/90=1M,1M/100 = 10kHz = 0.1ms	*/
void TIM6_Init(void)
{  

    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
    TIM6_Handler.Instance			= TIM6;                  		// 基本定时器
    TIM6_Handler.Init.Prescaler		= 180-1;                 		// 分频系数 180MHz,得到 180M/180=1M 时钟
    TIM6_Handler.Init.CounterMode	= TIM_COUNTERMODE_UP;    		// 向上计数器
    TIM6_Handler.Init.Period		= 100-1;                  		// 自动装载值 100,每 100/1M = 100us=0.1ms中断一次
    htim7.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
    HAL_TIM_Base_Init(&TIM6_Handler);
	
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim6, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&TIM6_Handler); //使能定时器3和定时器3更新中断:TIM_IT_UPDATE   
}
/* 定时器底册驱动,开启时钟,设置中断优先级	*/
/* 此函数会被HAL_TIM_Base_Init()函数调用		*/
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if(htim->Instance==TIM6)
	{
        __HAL_RCC_TIM6_CLK_DISABLE();    						// 使能TIM6时钟,
		HAL_NVIC_SetPriority(TIM6_IRQn,1,3);    					// 中断优先级:抢占优先级1,子优先级3。
        HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM6_IRQn);        					// 开启ITM6中断  
	}
}

/**
  * @brief  定时器比较中断
  * @param  htim:定时器句柄指针
	*	@note 		无
  * @retval 无
  */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	if(__HAL_TIM_GET_IT_SOURCE(&TIM6_Handler, TIM_IT_UPDATE) !=RESET)
    {
      __HAL_TIM_CLEAR_IT(&TIM6_Handler, TIM_IT_UPDATE);				// 清除中断标志位
    }
    tim ++; 														// 又是0.1ms,全局时间计数加1
}

3.TIM3输出4路PWM波

与定时不同,配置输出PWM波需要配置I/O口,相应地需要配置相应通道;输出PWM波时可不配置中断。步骤如下:

初始化配置。选择时钟、配置分频系数、计数模式、自动重装值、分频因子。

通道配置。配置PWM模式、默认占空比、输出比较极性并且开启对应的通道。

底层配置。开启时钟、配置相关引脚。

此处,航模电机驱动频率选择常用的 400Hz,定时器重装值选择 5000-1。为了方便实际中调节各个电机的占空比,编写设置于获取占空比的函数,占空比调节精度为 1/1000。

对于I/O选择,使用了TIM3 CH1~CH3,对应引脚参考核心板原理图:

cpp 复制代码
#define PWM_PIN			GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1
#define PWM_GPIO		GPIOB
#define PWM_ENCLK()		__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();	\
						__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();	// 使能定时器3,开启GPIOB时钟						

/* 四个电机枚举	*/
typedef enum
{
	MOTOR1 = 0,
	MOTOR2 = 1,
	MOTOR3 = 2,
	MOTOR4 = 3
};
	 
/* TIM3 4路 PWM波输出初始化 		*/
void TIM3_PWM_Init(void)
{ 
    TIM3_Handler.Instance			= TIM3;            		//定时器3
    TIM3_Handler.Init.Prescaler		= 45-1;       			//定时器分频 45,得到 90M/45=2M 时钟
    TIM3_Handler.Init.CounterMode	= TIM_COUNTERMODE_UP;	//向上计数模式
    TIM3_Handler.Init.Period		= 5000-1;          		//自动重装载值 5000,得到PWM频率 2M/5k=400Hz
    TIM3_Handler.Init.ClockDivision	= TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&TIM3_Handler);       					//初始化PWM
    
    TIM3_CHxHandler.OCMode			= TIM_OCMODE_PWM1; 		//模式选择PWM1
    TIM3_CHxHandler.Pulse			= 0;           			//设置比较值,此值用来确定占空比,默认为0
    TIM3_CHxHandler.OCPolarity		= TIM_OCPOLARITY_HIGH; 	//输出比较极性为高
	
	HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&TIM3_Handler,&TIM3_CHxHandler,TIM_CHANNEL_1);	//配置TIM3通道1
    HAL_TIM_PWM_Start(&TIM3_Handler, TIM_CHANNEL_1);		//开启PWM通道1
	HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&TIM3_Handler,&TIM3_CHxHandler,TIM_CHANNEL_2);	//配置TIM3通道2
    HAL_TIM_PWM_Start(&TIM3_Handler, TIM_CHANNEL_2);		//开启PWM通道2
	HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&TIM3_Handler,&TIM3_CHxHandler,TIM_CHANNEL_3);	//配置TIM3通道3
    HAL_TIM_PWM_Start(&TIM3_Handler, TIM_CHANNEL_3);		//开启PWM通道3
	HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&TIM3_Handler,&TIM3_CHxHandler,TIM_CHANNEL_4);	//配置TIM3通道4
    HAL_TIM_PWM_Start(&TIM3_Handler, TIM_CHANNEL_4);		//开启PWM通道4
	
}

/* 定时器底层驱动,时钟使能,引脚配置	*/
/* 此函数会被HAL_TIM_PWM_Init()调用	*/
void HAL_TIM_PWM_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
	
	PWM_ENCLK();
	
    GPIO_Initure.Pin		= PWM_PIN; 
    GPIO_Initure.Mode		= GPIO_MODE_AF_PP;  			// 复用推完输出
    GPIO_Initure.Pull		= GPIO_PULLUP;          		// 上拉
    GPIO_Initure.Speed		= GPIO_SPEED_HIGH;     			// 高速
	GPIO_Initure.Alternate	= GPIO_AF2_TIM3;				// 引脚复用
    HAL_GPIO_Init(PWM_GPIO, &GPIO_Initure);
}

/* 设置电机占空比										*/
/* motor: 选择电机,可填MOTOR1, MOTOR2, MOTOR3, MOTOR4	*/
/* duty: 占空比为千分之 duty								*/
void SetMotorDuty(uint8_t motor, uint16_t duty)
{
	if (duty > 1000)
		duty = 1000;
	else if (duty < 0)
		duty = 0;
	
	if (motor == MOTOR1)
		TIM3->CCR1 = duty * 5 - 1;	// 由于计数器重装值ARR为 5000,精度为千分之一,故此处乘以5,减一是因为从0开始计数
	else if (motor == MOTOR2)
		TIM3->CCR2 = duty * 5 - 1;
	else if (motor == MOTOR3)
		TIM3->CCR3 = duty * 5 - 1;
	else if (motor == MOTOR4) 
		TIM3->CCR4 = duty * 5 - 1;
}

/* 获取电机占空比														*/
/* motor选择电机,可填MOTOR1, MOTOR2, MOTOR3, MOTOR4,占空比为千分之返回值	*/
uint16_t GetMotorDuty(uint8_t motor)
{
	uint32_t cap_value;
	if (motor == MOTOR1)
		cap_value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM3_Handler,TIM_CHANNEL_1);		// 读取比较寄存器的值
	else if (motor == MOTOR2)
		cap_value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM3_Handler,TIM_CHANNEL_1);
	else if (motor == MOTOR3)
		cap_value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM3_Handler,TIM_CHANNEL_1);
	else if (motor == MOTOR4) 
		cap_value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM3_Handler,TIM_CHANNEL_1);
	
	return (cap_value+1) / 5;
}				

4.TIM5输入捕获

输入捕获也需要配置对应的 I/O 口于通道,而且需要在中断服务函数里实现定时中断、高/低电平时间的测量。步骤如下:

1.初始化配置:选择时钟、配置分配系数、计数模式、自动重装值、时钟分频因子。

2.通道配置:配置上升/下降沿捕获、引脚对应寄存器、分频因子、滤波效果。

3.底层配置:配置引脚、使能时钟、中断优先级与是能。

4.中断服务函数:思想很简单,分别读取下降沿、上升沿、下降沿时寄存器数据,计算得到正脉宽、周期等参数。

cpp 复制代码
#define CAP_PIN			GPIO_PIN_0
#define CAP_GPIO		GPIOA
#define CAP_ENCLK()		__HAL_RCC_TIM5_CLK_ENABLE();	\
						__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); 	//使能TIM5时钟,开启GPIOA时钟

TIM_HandleTypeDef TIM5_Handler;         							//定时器5句柄

uint32_t cap_value1 = 0;			// 检测到上升沿时的计数
uint32_t cap_value2 = 0;			// 检测到下降沿时的计数, cap_value2 - cap_value1 即为正脉冲时间
uint32_t cap_value3 = 0;			// 再次检测到上升沿时的计数, cap_value3 - cap_value1 即为周期

uint8_t cap_sta = 0;				// 输入捕获状态, 0:没有完成捕获,去捕获边沿吧  1:捕获边沿完成,去计算周期吧
uint8_t cap_times = 0;				// 捕获次数

/* 定时器5通道1输入捕获配置 	*/
/* 频率:90M/90/1 = 1MHz		*/
void TIM5_CH1_Cap_Init(void)
{  
    TIM_IC_InitTypeDef TIM5_CH1Config;  
    
    TIM5_Handler.Instance			= TIM5;                         // 通用定时器5
    TIM5_Handler.Init.Prescaler		= 90-1;                     	// 分频系数
    TIM5_Handler.Init.CounterMode	= TIM_COUNTERMODE_UP;    		// 向上计数器
    TIM5_Handler.Init.Period		= 0XFFFFFFFF;                   // 自动装载值
    TIM5_Handler.Init.ClockDivision	= TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;		// 时钟分频银子
    HAL_TIM_IC_Init(&TIM5_Handler);									// 初始化输入捕获时基参数
    
    TIM5_CH1Config.ICPolarity		= TIM_ICPOLARITY_RISING;    	// 上升沿捕获
    TIM5_CH1Config.ICSelection		= TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;		// 设置引脚与寄存器关系。CH1、CH2用TI1,CH3、CH4用TI2
    TIM5_CH1Config.ICPrescaler		= TIM_ICPSC_DIV1;          		// 配置输入分频,不分频
    TIM5_CH1Config.ICFilter=0;                          			// 配置输入滤波器,不滤波
    HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&TIM5_Handler,&TIM5_CH1Config,TIM_CHANNEL_1);//配置TIM5通道1
	
    HAL_TIM_IC_Start_IT(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1);   			// 开启TIM5的捕获通道1,并且开启捕获中断
    __HAL_TIM_ENABLE_IT(&TIM5_Handler,TIM_IT_UPDATE);   			// 使能更新中断
}

/* 定时器5底层驱动,时钟使能,引脚配置	*/
/* 此函数会被HAL_TIM_IC_Init()调用	*/
void HAL_TIM_IC_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
	
	CAP_ENCLK();
	
    GPIO_Initure.Pin		= CAP_PIN;            					// 引脚
    GPIO_Initure.Mode		= GPIO_MODE_AF_PP;      				// 复用推挽输出
    GPIO_Initure.Pull		= GPIO_PULLDOWN;        				// 下拉
    GPIO_Initure.Speed		= GPIO_SPEED_HIGH;     					// 高速
    GPIO_Initure.Alternate	= GPIO_AF2_TIM5;   						// PA0复用为TIM5通道1
    HAL_GPIO_Init(CAP_GPIO,&GPIO_Initure);

    HAL_NVIC_SetPriority(TIM5_IRQn,2,0);    						// 设置中断优先级,抢占优先级2,子优先级0
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM5_IRQn);          						// 开启ITM5中断通道  
}

/* 定时器5中断服务函数			*/
void TIM5_IRQHandler(void)
{
	HAL_TIM_IRQHandler(&TIM5_Handler);								//定时器共用处理函数
}

/* 定时器输入捕获中断处理回调函数,该函数在HAL_TIM_IRQHandler中会被调用	*/
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)			//更新中断(溢出)发生时执行
{
	if (cap_sta == 0)
	{
		switch (cap_times)
		{
			case 0: 				// 清空一切,准备捕获
				cap_value1 = 0;
				cap_value2  = 0;
				cap_value3  = 0;
				__HAL_TIM_DISABLE(&TIM5_Handler);        									//关闭定时器5
				__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM5_Handler,0);		
				TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1);   					//一定要先清除原来的设置!!
				TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1,TIM_ICPOLARITY_FALLING);//定时器5通道1设置为下降沿捕获
				__HAL_TIM_ENABLE(&TIM5_Handler);
				cap_times = 1;
				break;
			case 1:					// 捕获了一次
				cap_value1 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1);		// 读数一次
				TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1);   					//一定要先清除原来的设置!!
				TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1,TIM_ICPOLARITY_RISING);//定时器5通道1设置为上升沿捕获		
				cap_times = 2;
				break;
			case 2:					// 捕获了两次
				cap_value2 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1);		// 读数一次
				TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1);   					//一定要先清除原来的设置!!
				TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1,TIM_ICPOLARITY_FALLING);//定时器5通道1设置为下降沿捕获		
				cap_times = 3;
				break;
			case 3:					// 捕获了三次
				cap_value3 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1);		// 读数一次
				TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1);   					//一定要先清除原来的设置!!
				TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1,TIM_ICPOLARITY_RISING);	//定时器5通道1设置为上升沿捕获
				cap_times = 0;			
				cap_sta = 1;		// 所有捕获完成,可以去计算了
				break;
		}
	}
}

测试捕获和输出:

cpp 复制代码
void TestPwmTask(void *arg)
{
	const uint16_t test_postime = 100;	// 正常时间为 test_postime / 1000 * 2500 = test_postime * 2.5
	
	uint32_t pos_time;				// 高电平时间
	uint32_t cycle;					// 周期
	uint32_t freq;					// 频率
	float pos_duty;					// 正占空比
	
	SetMotorDuty(MOTOR1, test_postime);						// 电机PWM 400Hz = 2500 us,占空比 100/1000,高电平时间 250us		
	SetMotorDuty(MOTOR2, test_postime);
	SetMotorDuty(MOTOR3, test_postime);
	SetMotorDuty(MOTOR4, test_postime);
		
	while(1)
	{
        if (cap_sta == 1)      		//成功捕获到了一次高电平
		{
			pos_time = cap_value3 - cap_value2;
			cycle = cap_value3 - cap_value1;
			freq = (uint32_t)1000000 / cycle;
			pos_duty = (float) pos_time / (float) cycle;
			
			printf("周期:%d us\t  正脉冲宽:%d us  \r\n", cycle, pos_time);
			printf("频率:%d Hz\t  正占空比:%.2f %%\r\n\r\n", freq, pos_duty*100);

			cap_sta = 0;          		// 搞完事情,开启下一次捕获
		}
		delay_ms(200);
	}
}
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