STM32之通用定时器详解

一、通用定时器

1.通用定时器描述

一、计数模式：16 位向上 / 向下 / 中央对齐

原理：

向上计数 ：计数器从 0 递增到 ARR（自动重装值），溢出时触发更新事件（中断 / DMA）。

向下计数 ：计数器从 ARR 递减到 0，下溢时触发更新事件。

中央对齐（向上 / 向下） ：计数器先向上到 ARR，再向下到 0，循环往复（对称计数，适合对称 PWM）。

例子：

向上计数 → 定时中断 ：

配置 TIM3 为向上计数，ARR=999，PSC=71（假设系统时钟 72MHz，分频后计数器频率为 72MHz/(71+1)=1MHz，计数周期 1μs）。

每 (999+1)×1μs=1ms 触发一次更新中断，用于 1ms 定时任务（如 PID 控制周期、传感器采样）。

中央对齐 → 对称 PWM ：

三相电机驱动需对称 PWM （减少谐波），配置 TIM1（高级定时器，但通用定时器也支持中央对齐）为中央对齐，ARR=999，CCR=500（占空比 50%）。

计数器先从 0→999（向上），到 500 时翻转电平；再从 999→0（向下），到 500 时再次翻转，形成对称方波，降低电机电磁噪声。

二、16 位可编程预分频器（PSC）

原理：

预分频器 PSC 决定分频系数 （1~65536，公式：计数器频率 = TIMx_CLK / (PSC + 1)），用于调整计数速度。

例子：

低速定时需求 ：
若需计数器每 10ms 递增 1 次（频率 100Hz），系统时钟 72MHz，则：
PSC + 1 = 72MHz / 100Hz = 720000 → 但 PSC 是 16 位（最大 65535），无法直接实现。
→ 拆分方案 ：先用 PSC=719（分频 100 倍，72MHz→720KHz），再设 ARR=999（周期 (999+1)×(1/720KHz)≈1.388ms），通过多次计数累加实现 10ms 定时（如累计 7 次更新事件）。

三、4 个独立通道：输入捕获 / 输出比较 / PWM / 单脉冲

1. 输入捕获 → 测量脉冲 / 频率

原理：捕获外部信号的边沿（上升 / 下降沿），记录计数器值，计算时间差。

例子：测量红外信号频率（如遥控器波形）：

配置 TIM4_CH1 为输入捕获，上升沿触发。

第一次捕获：记录计数器值 CCR1（信号上升沿时刻）。

第二次捕获：记录 CCR2（下一个上升沿时刻）。

频率 = 1 / [(CCR2 - CCR1) × 计数周期]。
若计数周期 1μs，CCR2-CCR1=1000 → 频率 1KHz。

2. 输出比较 → 精准电平翻转

原理：计数器与 CCR（比较值）匹配时，触发电平翻转 / 中断。

例子：LED 精准闪烁（500ms 周期）：

配置 TIM2_CH2 为输出比较，ARR=49999（计数频率 1KHz，周期 1ms），CCR=25000。

当计数器到 25000 时，电平翻转（250ms 时翻转），实现 500ms 周期闪烁（250ms 亮，250ms 灭）。

3. PWM 生成 → 电机调速 / LED 调光

原理：通过 ARR 定周期，CCR 定占空比，生成方波。

例子：直流电机调速（边沿对齐 PWM）：

配置 TIM5_CH3 为 PWM 输出，ARR=999（周期 1ms），CCR=300（占空比 30%）。

电机功率与占空比成正比，30% 占空比对应低速运行；若调至 80%，电机加速。

4. 单脉冲模式 → 触发单次动作

原理：外部触发（如 GPIO 上升沿）后，输出一个固定宽度的脉冲 （由 CCR 决定）。

例子：触发 ADC 单次采样：

配置 TIM1_CH4 为单脉冲模式，CCR=100（脉冲宽度 100× 计数周期）。

当外部触发信号到来，输出 10μs 脉冲，启动 ADC 转换（确保采样窗口精准）。

四、同步电路：多定时器协同

原理：通过 TRGO（触发输出）→ TRGI（触发输入） 连接，实现多定时器同步启动 / 停止。

例子：双轴运动控制同步触发：

TIM3 为主定时器，TRGO 输出连接 TIM2 的 TRGI 输入。

当 TIM3 启动时，TIM2 同步启动，保证两个轴的运动时间对齐（如机械臂两关节同时动作）。

五、中断 / DMA 触发：事件驱动

定时器可在以下事件触发中断或 DMA：

更新事件：计数器溢出 / 下溢（如定时采集传感器）。

触发事件：定时器启动 / 停止（如记录电机启动时间戳）。

输入捕获：捕获到外部脉冲（如测量高频信号）。

输出比较：比较匹配（如定时关闭加热管）。

例子：10ms 周期采集温度传感器：

配置 TIM2 更新中断，每 10ms 触发一次。

在中断服务函数中，读取温度传感器数据，保证采样周期稳定。

六、编码器 / 霍尔传感器支持

1. 编码器接口 → 电机测速 / 方向检测

原理：解码正交编码器的 AB 相脉冲，计数器自动根据边沿增减（上升沿 + 下降沿都计数，精度翻倍）。

例子：电机转速测量：

编码器每转输出 1000 个脉冲，配置 TIM2 为编码器模式。

每秒读取计数器值 CNT，转速 = CNT / 1000 转 / 秒（如 1 秒内 CNT=10000→10 转 / 秒）。

2. 霍尔传感器 → 电机换相

原理：解码电机的 霍尔信号（3 路），获取转子位置，触发换相逻辑。

例子：无刷电机换相：

霍尔信号（如 011、101 等状态）输入定时器，当检测到状态变化时，切换功率管导通相，实现无刷电机换向。

七、硬件约束：16 位 ARR 和 PSC（Cortex-M3 内核）

ARR（自动重装值）和 PSC（预分频器）都是16 位寄存器 ，最大取值 65535。

若需 超长周期（如 10 秒），需结合软件计数（如累计 1000 次 10ms 更新事件），或使用 32 位定时器（如 TIM2、TIM5 在 STM32F1 中是 32 位计数器，突破 ARR 的 16 位限制，但 PSC 仍为 16 位）。

2. 通用定时器框图分析

一、模块作用拆解

1. CNT 计数器

是定时器的 "心跳"，实时递增 / 递减计数 （由定时器时钟驱动，受 PSC 分频控制）。

比如配置为向上计数，CNT 会从 0 一直数到 ARR（自动重装值），再回到 0 循环。

2. 捕获 / 比较寄存器（以通道 1 为例）

存一个目标数值 （比如 75-1=74 ），用来和 CNT 的实时值做比较。

它是 "判定条件" 的核心：CNT 实时值是否满足条件，全看和这个寄存器的数值关系。

3. OC1REF（输出参考信号）

比较的中间结果 ：当 CNT 满足条件（如 CNT < 捕获/比较寄存器值 ），OC1REF 输出高电平；不满足则输出低电平。

注意：这是内部逻辑信号，还没到实际引脚！

4. 输出控制（Output Control）

决定最终引脚输出（TIMx_CH1）的实际电平 ，会结合 CCER 寄存器的极性配置（高 / 低电平有效）。

比如：若配置 "高电平有效"，则 OC1REF 高电平时，引脚输出高电平；若配置 "低电平有效"，则 OC1REF 高电平时，引脚输出低电平（翻转一次）。

二、结合 PWM 例子详细推导

假设需求：生成 占空比 7.5% 的 PWM 信号，参数：

ARR = 1000 - 1 = 999（计数器范围 0~999，共 1000 个计数点）

捕获/比较寄存器 = 75 （目标比较值）

步骤 1：计数器循环计数

CNT 从 0 开始，以定时器时钟频率 向上计数，直到 999，然后回到 0 重新开始。

假设定时器时钟是 1MHz（周期 1μs ），则 CNT 每 1μs 加 1，数到 999 需要 1000μs（1ms），即 PWM 周期是 1ms。

步骤 2：比较逻辑 → 生成 OC1REF

CNT 实时值与 捕获/比较寄存器值（75） 比较：

当 CNT < 75 时（共 75 个计数点：0~74 ）：OC1REF = 高电平

当 CNT >= 75 时（共 925 个计数点：75~999 ）：OC1REF = 低电平

步骤 3：输出控制 → 引脚实际电平

假设配置 高电平有效 （CCER 寄存器的 CC1P=0 ）：

OC1REF 高电平时，引脚 TIMx_CH1 输出高电平

OC1REF 低电平时，引脚 TIMx_CH1 输出低电平

最终引脚波形：

高电平持续 75μs（0~74 共 75 个计数点，每个点 1μs ）

低电平持续 925μs（75~999 共 925 个计数点）

步骤 4：占空比计算

占空比 = 高电平时间 / PWM 周期 = 75μs / 1000μs = 7.5%

一、信号流程：外部信号如何进入定时器？

外部信号（比如传感器脉冲、编码器信号）从 TIMx_CH1 引脚输入，经过以下模块处理：
外部信号 → 异或门 → 输入滤波器和边沿检测器 → 预分频器 → 定时器内部

二、核心模块作用拆解

1. 异或门（XOR）

作用：信号极性控制，决定是否翻转输入信号的电平。

应用：比如外部信号是低电平有效，但你想转成高电平触发，就可以通过异或门翻转（配合 TRC 信号实现）。

2. 输入滤波器和边沿检测器

滤波器：滤除高频噪声 ，避免毛刺触发误判。

原理：通过配置采样频率和采样次数，只有持续稳定的电平变化才会被识别。

例子：外部按键抖动（几十 ms 高频抖动），滤波器可以只识别稳定的电平跳变。

边沿检测器：检测上升沿 / 下降沿 ，决定触发事件的条件。

可配置为：仅上升沿触发、仅下降沿触发、上升沿 + 下降沿触发。

3. 预分频器（Prescaler）

作用：分频控制，决定 "几个外部脉冲才触发一次定时器事件"。

例子：

预分频器设为 3，则每 4 个外部脉冲（0~3 计数）才会让定时器内部计数 1 次。

常用于 "降低信号频率，或只记录特定间隔的脉冲"。

4. TI1、TI1FP1、TI1FP2

TI1：原始输入信号（未滤波）。

TI1FP1：滤波后信号（经过滤波器和边沿检测的干净信号）。

TI1FP2：反向滤波后信号（TI1FP1 的电平翻转版，用于正交解码）。

5. TRC（Trigger Reference Clock）

作用：触发参考信号，可用于异或门的极性控制，或作为同步触发源。

应用：比如让定时器在外部信号上升沿时同步启动计数。

3.通用定时器基本功能

操作流程和基础定时器 TIM6 和 TIM7 一致

cpp 复制代码

#include "tim3.h"

// TIM3初始化函数
// psc: 预分频器值
// arr: 自动重装载值
void TIM3_Init(u16 psc, u16 arr)
{
    // 1. 使能TIM3时钟
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;  // 置位TIM3时钟使能位
    
    // 2. 关闭定时器，避免配置冲突
    TIM3->CR1 &= ~(0x01);  // 清除CEN位，关闭计数器
    
    // 3. 配置预分频器和自动重装载寄存器
    TIM3->PSC = psc - 1;   // 预分频器配置（值 = 实际分频系数 - 1）
    TIM3->ARR = arr - 1;   // 自动重装载值配置（值 = 实际周期数 - 1）
    
    // 4. 配置计数模式（向上计数）
    TIM3->CR1 &= ~(0x1 << 4);  // 清除DIR位，设置为向上计数
    
    // 5. 使能更新中断
    TIM3->DIER |= 0x01;    // 置位UIE位，使能更新中断
    
    // 6. 开启定时器
    TIM3->CR1 |= 0x01;     // 置位CEN位，使能计数器
    
    // 7. 配置NVIC中断
    NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);          // 使能TIM3中断
    NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn, 5);     // 设置中断优先级为5
}

// 中断计数器
u16 TIM3_IT_Count = 0;

// TIM3中断服务函数
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    // 检查是否是更新中断
    if (TIM3->SR & 0x01)
    {
        // 清除中断标志位
        TIM3->SR &= ~0x01;
        
        // 这里可以添加中断处理逻辑
        TIM3_IT_Count++;  // 计数器加1
        
        // 示例：每1000次中断做一次处理（需根据实际定时周期计算）
        if (TIM3_IT_Count >= 1000)
        {
            TIM3_IT_Count = 0;
            // 执行定时任务...
        }
    }
}

1. TIM3_Init 初始化函数核心配置

时钟使能 ：通过RCC_APB1ENR_TIM3EN位使能 TIM3 定时器时钟，TIM3 属于 APB1 总线外设

定时器关闭：配置前先关闭计数器（清除 CEN 位），确保寄存器配置可靠

分频与周期配置：

PSC：预分频器，值为实际分频系数减 1（因为计数器从 0 开始）

ARR：自动重装载值，值为实际周期计数减 1

定时周期计算公式：周期 = (PSC + 1) * (ARR + 1) / 定时器时钟频率

计数模式：配置为向上计数模式（默认也是向上计数，这里显式配置使代码更清晰）

中断配置：

使能更新中断（UIE 位），当计数器达到 ARR 值时产生中断

通过 NVIC 配置中断使能和优先级

2. 中断服务函数

中断标志检查 ：通过SR寄存器的 UIF 位判断是否发生更新中断

标志清除：必须手动清除中断标志位，否则会持续触发中断

中断处理 ：通过TIM3_IT_Count计数器记录中断次数，可根据需要添加定时任务逻辑

4. PWM实现呼吸灯

3.4.1 PWM 概述

PWM 核心参数
- 频率：1 秒钟，PWM 输出波形的次数。需依据实际设备应用场景分析确定，不同场景对频率需求不同，如电机控制、LED 调光等场景，合适频率可保障功能稳定与效果。
- 占空比：一个 PWM 周期内，高电平持续时间与整个 PWM 周期时间的比值，决定了有效电平在周期内的占比，影响输出能量、亮度等。
实现依赖
需要利用 TIM2 ~ 5 通用定时器完成 PWM 输出，这些定时器具备输出比较、PWM 模式配置等功能，可通过设置预分频器（PSC）、自动重装值（ARR）、比较值（CCR）等寄存器，生成符合参数要求的 PWM 波形。

3.4.2 AFIO控制定时器对应输出通道重映射

主要针对不同的 TIM 定时对外输出通道引脚映射关系。

3.4.3 TIM3CH2寄存器分析

TIM3 CCMR 输入输出模式控制寄存器

3.4.5核心代码实现

tim3.h:

cpp 复制代码

#include "stm32f10x.h"

// TIM3_CH2(PB5)初始化函数，支持PWM输出
// psc: 预分频器值
// arr: 自动重装载值
void TIM3_CH2_PB5_PWM(u16 psc, u16 arr)
{
    /* 1. 时钟使能 */
    RCC->APB2ENR |= (RCC_APB2ENR_AFIOEN | RCC_APB2ENR_IOPBEN); // 使能AFIO和GPIOB时钟
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;                        // 使能TIM3时钟
    
    /* 2. 关闭定时器，确保配置可靠 */
    TIM3->CR1 = 0;
    
    /* 3. 配置PB5为复用推挽输出 */
    GPIOB->CRL &= ~(0x0F << 20);       // 清除PB5原有配置
    GPIOB->CRL |= (0x0B << 20);        // 1011：复用推挽输出，50MHz
    
    /* 4. TIM3_CH2部分重映射到PB5 */
    AFIO->MAPR &= ~(0x03 << 10);       // 清除原有映射配置
    AFIO->MAPR |= (0x02 << 10);        // 部分重映射：TIM3_CH2->PB5
    
    /* 5. 定时器基础配置 */
    TIM3->CR1 |= (0x01 << 7);          // ARR开启缓冲
    TIM3->CR1 &= ~(0x03 << 5);         // 边缘对齐模式
    TIM3->CR1 &= ~(0x01 << 4);         // 向上计数模式
    TIM3->PSC = psc - 1;               // 预分频配置
    TIM3->ARR = arr - 1;               // 自动重装载值配置
    TIM3->CNT = 0;                     // 计数器清零
    
    /* 6. 配置PWM模式 */
    TIM3->CCMR1 &= ~(0x03 << 8);       // 配置为输出模式(CC2S=00)
    TIM3->CCMR1 |= (0x01 << 10);       // 快速使能(OC2FE=1)
    TIM3->CCMR1 |= (0x01 << 11);       // CCR2预装载使能(OC2PE=1)
    TIM3->CCMR1 |= (0x06 << 12);       // PWM模式1(OC2M=110)：CNT<CCR时输出有效电平
    
    /* 7. 配置输出极性（可根据硬件需求切换高低电平有效） */
    TIM3->CCER &= ~(0x03 << 4);        // 清除CC2相关配置
    TIM3->CCER |= (0x01 << 4);         // 使能CH2输出(CC2E=1)
    // TIM3->CCER |= (0x01 << 5);      // 如需低电平有效，取消此注释
    
    /* 8. 开启定时器 */
    TIM3->CR1 |= 0x01;
}

// 设置CCR2值，控制占空比
void TIM3_CH2_PB5_SetCCR(u16 ccr)
{
    TIM3->CCR2 = ccr;
}

main.c:

cpp 复制代码

#include "stm32f10x.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "delay.h"
#include "tim3.h"

int main(void)
{
    // 初始化外设
    Led_Init();
    Key_Init();
    Delay_Init();
    
    /* 
     * 初始化TIM3_CH2：72分频，ARR=1000
     * 定时器时钟频率 = 72MHz / 72 = 1MHz
     * PWM周期 = (1000) * 1us = 1ms（频率1kHz）
     */
    TIM3_CH2_PB5_PWM(72, 1000);
    
    u16 duty_value = 0;  // 占空比数值(0~1000)
    u8 flag = 0;         // 呼吸灯方向标志
    
    while (1)
    {
        // 设置占空比，控制LED亮度
        TIM3_CH2_PB5_SetCCR(duty_value);
        
        // 呼吸灯逻辑：逐渐变亮→逐渐变暗循环
        if (flag)
        {
            duty_value -= 10;
            if (duty_value <= 0)
                flag = 0;  // 达到最暗，准备变亮
        }
        else
        {
            duty_value += 10;
            if (duty_value >= 1000)
                flag = 1;  // 达到最亮，准备变暗
        }
        
        Delay_Ms(10);  // 延时控制呼吸速度
    }
}

重点：GPIO 引脚兼具普通 IO 与复用功能，普通 IO 模式下由代码操作 ODR 等寄存器直接控制引脚输出高低电平（信号从 MCU 到外部设备），而复用模式（如复用推挽、复用开漏）则将引脚控制权移交 MCU 内部集成的外设（如 TIM3 定时器、USART 串口等），此时引脚电平由外设（如定时器生成的 PWM 波形、串口的通信信号）决定，信号流向始终为 MCU 内部外设→引脚→外部设备（如 LED、电机、传感器等），且同一时刻引脚仅能服务于普通 IO 或复用外设中的一种功能，但可通过重新配置 GPIO 模式实现功能切换；定时器等复用外设本质是 MCU 内部硬件模块，需配合引脚作为 "内外桥梁"，才能将内部生成的定时、PWM 等信号传递到外部，实现对外部设备的精准控制（如定时中断、PWM 调光调速）
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STM32之通用定时器详解

一、通用定时器

1.通用定时器描述

一、计数模式：16 位向上 / 向下 / 中央对齐

原理：

例子：

二、16 位可编程预分频器（PSC）

原理：

例子：

三、4 个独立通道：输入捕获 / 输出比较 / PWM / 单脉冲

1. 输入捕获 → 测量脉冲 / 频率

2. 输出比较 → 精准电平翻转

3. PWM 生成 → 电机调速 / LED 调光

4. 单脉冲模式 → 触发单次动作

四、同步电路：多定时器协同

五、中断 / DMA 触发：事件驱动

六、编码器 / 霍尔传感器支持

1. 编码器接口 → 电机测速 / 方向检测

2. 霍尔传感器 → 电机换相

七、硬件约束：16 位 ARR 和 PSC（Cortex-M3 内核）

2. 通用定时器框图分析

一、模块作用拆解

1. CNT 计数器

2. 捕获 / 比较寄存器（以通道 1 为例）

3. OC1REF（输出参考信号）

4. 输出控制（Output Control）

二、结合 PWM 例子详细推导

步骤 1：计数器循环计数

步骤 2：比较逻辑 → 生成 OC1REF

步骤 3：输出控制 → 引脚实际电平

步骤 4：占空比计算

一、信号流程：外部信号如何进入定时器？

二、核心模块作用拆解

1. 异或门（XOR）

2. 输入滤波器和边沿检测器

3. 预分频器（Prescaler）

4. TI1、TI1FP1、TI1FP2

5. TRC（Trigger Reference Clock）

**3.**通用定时器基本功能

1. TIM3_Init 初始化函数核心配置

2. 中断服务函数

4. PWM实现呼吸灯

3.4.1 PWM 概述

3.4.2 AFIO****控制定时器对应输出通道重映射

3.4.3 TIM3CH2****寄存器分析

3.4.5****核心代码实现

3.通用定时器基本功能

3.4.2 AFIO控制定时器对应输出通道重映射

3.4.3 TIM3CH2寄存器分析

3.4.5核心代码实现