MCU中的定时器

第一章定时器的应用场景

第二章定时器的原理

2.1 定时器的计数原理

定时器的本质是一个计数器；
计数器是对输入的系统频率信号进行计数；
每来一个周期的信号，计数器的cnt 加一。如果周期T表示为1s，来三个周期就表示3s时间到达；如果系统时钟频率是120MHz，那么周期为T = (1/120)us，记录120次，t = 120 * T us = 1us时间到；

2.2 定时器的计数上限

2.3 定时器的预分频器

假定预分频器的值设置为120，总线给定时器的时钟频率为120MHZ；

在定时器的预分频器（Prescaler）设置为 120 的情况下，输入时钟频率为 120 MHz 时，预分频器会对输入的时钟信号进行分频。具体分频过程如下：

预分频器的功能：它的作用是将高频的输入时钟信号降低到适合计数器工作的频率。
预分频器设置为 120 ：意味着预分频器需要 120 个输入脉冲 才会输出 1 个脉冲。
输出到计数器的频率：输入时钟频率为 120 MHz，经过预分频器分频后，输出频率为：

f = 120MHz / 120 = 1 MHz

因此，输入到预分频器的 120 个脉冲 ，会转换成输出的 1 个脉冲，然后这个脉冲才会送到定时器的计数器。

总结：

预分频器 将输入的 120 MHz 时钟分频为 1 MHz。
计数器 以 1 MHz 的频率进行计数。

那么输入120个脉冲到预分频器后，才产生1个脉冲给计数器

2.4 定时器的硬件结构

2.5 定时器的时钟树

2.6 通用定时器和高级定时器

最直观的区别是通道个数；

第三章定时器输出PWM

3.1 应用举例

3.2 定时器利用输出比较产生PWM控制LED

3.2.1 GD32

如果T = 1us，周期为1us。每来一个脉冲计数器加一，并且将累计后的值CNT和输出比较值比较。如果小于输出比较值，输出高电平；如果大于输出比较值，输出低电平；
如果累加值累加到自动重装载值后，就会触发自动重载操作，将计数器中的累加值CNT置为为0，重新开始累加。

定时器配置

3.2.2 stm32F4

注意：

PF9口本来是一个普通的GPIO口，现在需要配置为定时器14的通道1，所以需要将IO口设置为复用功能；
配置定时器14输出100HZ的频率(周期为10ms)，

3.3 定时器利用输入捕获功能测量信号的周期频率或脉冲宽度

3.3.1 输入捕获的原理一

预分配一直给计数器周期性的脉冲，并且假定周期为T = 1us;
计数器每来一个脉冲，计数器中的CNT累加1。
突然某一个时刻，GPIO口的电平发生跳变(假定是一个上升沿)，此时会触发捕获事件以及和一个中断事件。
捕获事件将计数器中的值保存到输入捕获寄存器中保存着；
中断事件(中断函数中)将输入捕获寄存器中的值取出等待使用，假定为V1；
突然某一个时刻，GPIO口的电平又发生跳变(假定是一个上升沿)，此时会触发捕获事件以及和一个中断事件。
捕获事件将计数器中的值保存到输入捕获寄存器中保存着；
**中断事件(中断函数中)将输入捕获寄存器中的值取出，**假定为V2;

中断中将V2 - V1得到一个差值V3；V3 * T = V3 * 1us的结果就是输入的周期频率。

3.3.2 输入捕获的原理二

预分配一直给计数器周期性的脉冲，并且假定周期为T = 1us;
计数器每来一个脉冲，计数器中的CNT累加1。
突然某一个时刻，GPIO口的电平发生跳变(假定是一个上升沿)，此时会触发捕获事件以及和一个中断事件。
捕获事件将计数器中的值保存到输入捕获寄存器中保存着；
中断事件(中断函数中)将计数器中的值第一次置位为0；
突然某一个时刻，GPIO口的电平又发生跳变(假定是一个上升沿)，此时会触发捕获事件以及和一个中断事件。
捕获事件将计数器中的值保存到输入捕获寄存器中保存着；
中断事件(中断函数中)将计数器中的值读取出来为V1;

中断中将V1 * T = V1 * 1us的结果就是输入捕获的周期信号的频率。

3.3.3 代码示例；

project/

├── main.c // 主函数入口

├── tim_capture.c // 定时器输入捕获功能实现

├── tim_capture.h // 定时器输入捕获功能声明

头文件 (tim_capture.h)

cpp 复制代码

#ifndef TIM_CAPTURE_H
#define TIM_CAPTURE_H

#include "stm32f10x.h"

// 捕获功能初始化函数
void TIM2_InputCapture_Init(void);

// 获取捕获的周期（单位: 微秒）
uint32_t TIM2_GetPeriod(void);

#endif // TIM_CAPTURE_H

源文件 (tim_capture.c)

cpp 复制代码

#include "tim_capture.h"

// 全局变量，存储捕获结果
static volatile uint16_t capture1 = 0, capture2 = 0; // 捕获值
static volatile uint32_t period = 0;                // 信号周期
static volatile uint8_t captureFlag = 0;            // 捕获完成标志

// 定时器输入捕获初始化
void TIM2_InputCapture_Init(void) {
    // 1. 启用时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); // TIM2 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // GPIOA 时钟

    // 2. 配置 GPIO
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;             // PA0: TIM2_CH1
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 3. 配置定时器
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 0xFFFF; // 最大计数值
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 72 - 1; // 定时器分频为 72MHz / 72 = 1MHz
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStruct);

    // 4. 配置输入捕获
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
    TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;         // 捕获通道 1
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; // 捕获上升沿
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; // 直接输入
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;    // 无分频
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0x0;                 // 无滤波
    TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStruct);

    // 5. 使能中断
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_CC1, ENABLE); // 使能捕获比较中断
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

    // 6. 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

// 获取捕获周期
uint32_t TIM2_GetPeriod(void) {
    return period; // 返回测量的信号周期
}

// 定时器中断处理函数
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET) {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1); // 清除中断标志

        if (captureFlag == 0) {
            capture1 = TIM_GetCapture1(TIM2); // 第一次捕获
            captureFlag = 1;
        } else if (captureFlag == 1) {
            capture2 = TIM_GetCapture1(TIM2); // 第二次捕获
            if (capture2 > capture1) {
                period = capture2 - capture1; // 正常情况
            } else {
                period = (0xFFFF - capture1 + capture2 + 1); // 计数器溢出情况
            }
            captureFlag = 0; // 重置标志
        }
    }
}

主函数 (main.c)

cpp 复制代码

#include "stm32f10x.h"
#include "tim_capture.h"

int main(void) {
    SystemInit();                // 初始化系统时钟
    TIM2_InputCapture_Init();    // 初始化 TIM2 输入捕获功能

    while (1) {
        // 检查是否已经测量到信号周期
        uint32_t signalPeriod = TIM2_GetPeriod();
        if (signalPeriod != 0) {
            // 计算信号频率 (Hz)
            float frequency = 1000000.0f / signalPeriod; // 1 MHz 时钟基准
            // 用户可添加进一步处理，如显示频率或其他逻辑
        }
    }
}

触发中断的条件

根据代码和 STM32 的定时器捕获功能，以下条件会触发这个中断：

TIM2 的输入捕获通道 1（CC1）检测到信号边沿跳变。
- 在定时器配置时，将 CC1 通道配置为输入捕获模式，并设置边沿触发类型（上升沿、下降沿或双边沿）。
- 例如，信号从低到高（上升沿）或高到低（下降沿）跳变时，捕获触发。
中断使能：
- 必须启用 TIM2 的 CC1 通道中断： TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_CC1, ENABLE);
中断标志位被置位：
- 捕获事件发生时，定时器的 CC1 中断标志位（TIM_IT_CC1）会被置位，随后触发 TIM2_IRQHandler。

所以输入信号的周期为：

T = capture2 - capture1; // 周期的单位是微秒

所以输入信号的频率frequency (Hz) f = (1 / T ) * 10^6 Hz

3.4 定时器输出定时功能

假定总线给定时器的时钟频率为120MHz时，并且设置预分频器的预分频值为120；那么产生的时钟频率f = 1MHz。
T = 1us，如果设置自动重装载值为600，并且设置定时器为向下计数。那么当从600递减为0时，定时器会产生一个(1us * 600)的600us中断，表示600us时间到达。

MCU中的定时器

第一章 定时器的应用场景

第二章 定时器的原理

2.1 定时器的计数原理

2.2 定时器的计数上限

2.3 定时器的预分频器

2.4 定时器的硬件结构

2.5 定时器的时钟树

2.6 通用定时器和高级定时器

第三章 定时器输出PWM

3.1 应用举例

3.2 定时器利用输出比较产生PWM控制LED

3.2.1 GD32

3.2.2 stm32F4

3.3 定时器利用输入捕获功能测量信号的周期频率或脉冲宽度

3.3.1 输入捕获的原理一

3.3.2 输入捕获的原理二

触发中断的条件

3.4 定时器输出定时功能

第一章定时器的应用场景

第二章定时器的原理

第三章定时器输出PWM