6 定时器（TIM）
1 定时器简介
- TIM（Timer）定时器
- 定时器可以对输入的时钟进行计数，并在计数值达到设定值时触发中断
- 16位计数器、预分频器、自动重装寄存器的时基单元，在72MHz计数时钟下可以实现最大59.65s的定时
- 不仅具备基本的定时中断功能，而且还包含内外时钟源选择、输入捕获、输出比较、编码器接口、主从触发模式等多种功能
- 根据复杂度和应用场景分为了高级定时器、通用定时器、基本定时器三种类型
2 定时器类型
STM32F103C8T6定时器资源：TIM1、TIM2、TIM3、TIM4
3 定时器结构图
1 基本定时器
- 预分频器对时钟进行分频，实际分频系数和预分频器之间差了1，由于预分频器是16位，最大值是65535，所以可以得到实际分频65536
- 计数器可以对预分频后的计数时钟进行计数，来一个上升沿就+1，也是16位，可以从0-65535，不断自增运行
- 当计数器的值运行到和自动重装载寄存器（存放计数目标值）的值一致时，产生中断，计数器清0
- UI就是产生的更新中断信号，会通往NVIC
- U就是产生的更新事件，不会触发中断，但是可以触发内部其他电路工作
- PSC、CNT和自动重装载寄存器三者结合称为时基单元
2 通用定时器
1.通用定时器和高级定时器不仅支持向上计数，还支持向下计数和中央对齐计数模式
- 向上计数和基本定时器一样，就是从0计数到重装值申请中断然后重新置0，而且基本定时器仅支持这种计数方式
- 向下计数就是从重装值开始减到0申请中断，再置为重装值
- 中央对齐计数就是先从0开始增到重装值申请中断，然后再从重装值开始减到0申请中断，如此往复
2.通用计时器时钟源不仅能选择72MHz的内部时钟，还可以选择外部时钟（比如TIMx_ETR，TRGI，TIMx_CH1-4，其他定时器）
3.ITR信号是来自其他定时器的TRGO输出，可以实现定时器级联的功能
4.TRGO是主模式输出
5.编码器接口可以读取正交编码器的输出波形
6.输出比较电路，共四个通道，可以用于输出PWM波形，驱动电机
7.输入捕获电路，可以用于测量输入方波的捕获
8.捕获/比较寄存器，输入捕获和输出比较共用的寄存器
3 高级定时器
- 重复次数计数器：可以实现每隔几个周期更新一次，相当于对于输出的周期信号进行分频
- DTG（Dead Time Generate）：死区生成电路，为防止互补输出的PWM驱动桥臂时，在开关切换的瞬间由于器件不理想，造成短暂的直通现象，在开关切换的瞬间产生一定的死区，切断桥臂上下管防止直通
- 右边的输出引脚前三路由通用定时器的一个变为两个互补输出，可以输出一对互补的PWM波，可以驱动三相无刷电机（四轴飞行器、电动车的后轮、电钻...）
- 最下面那一部分就是刹车输入的功能，为了给电机驱动提供安全保障
4 定时中断基本结构图
5 时序图
1 预分频器时序
- 计数器计数频率：CK_CNT = CK_PSC / (PSC + 1)
- 注意在这里预分频器防止在计数中途更改造成错误，设置了预分频缓冲器。在这里体现的现象就是在预分频控制寄存器更改的时候，预分频缓冲寄存器并未更改，而是在这一个计数周期结束，也就是计数值达到自动重装载寄存器的值的时候进行更改
2 计数器时序
- 计数器溢出频率：CK_CNT_OV = CK_CNT / (ARR + 1) = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
- ARR是自动重装载寄存器
- ARR也是有缓冲寄存器的，和上面预分频器类似，有缓冲机制
3 计数器无预装时序
可以看到在计数过程中对自动加载寄存器进行更改，由FF改成36，在这个计数周期内就立即生效
4 计数器有预装时序
可以看到在计数过程中对自动加载寄存器进行更改，从F5改为36，可以看到自动加载影子寄存器并未发生变化，而是等这个计数周期结束之后才进行更改
5 时钟树
6 TIM输出比较
- OC（Output Compare）输出比较
- 输出比较可以通过比较CNT（时基单元计数器）与CCR（捕获/比较寄存器）寄存器值的关系，来对输出电平进行置1、置0或翻转的操作，用于输出一定频率和占空比的PWM波形
- 每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输出比较通道
- 高级定时器的前3个通道额外拥有死区生成和互补输出的功能
7. PWM（Pulse Width Modulation）简介
1.PWM
- PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制
- 在具有惯性的系统中，可以通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的模拟参量，常应用于电机控速等领域
- PWM参数：
1.频率 = 1 / TS
2.占空比 = TON / TS（高电平时间比整个周期时间）
3.分辨率 = 占空比变化步距（占空比变化的精确程度）
2 通用定时器的输出比较通道
3 输出比较模式
4 PWM基本结构
5 参数计算
- PWM频率： Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
- PWM占空比： Duty = CCR / (ARR + 1)
- PWM分辨率： Reso = 1 / (ARR + 1)
6 高级定时器的输出比较电路（仅了解）
7 舵机
- 舵机是一种根据输入PWM信号占空比来控制输出角度的装置
- 输入PWM信号要求：周期为20ms，高电平宽度为0.5ms~2.5ms
- 将PWM当做一种通信协议来使用
硬件电路：
8 直流电机及驱动简介
- 直流电机是一种将电能转换为机械能的装置，有两个电极，当电极正接时，电机正转，当电极反接时，电机反转
- 直流电机属于大功率器件，GPIO口无法直接驱动，需要配合电机驱动电路来操作
- TB6612是一款双路H桥型的直流电机驱动芯片，可以驱动两个直流电机并且控制其转速和方向
硬件电路：
8 TIM输入捕获
- IC（Input Capture）输入捕获
- 输入捕获模式下，当通道输入引脚出现指定电平跳变时，当前CNT的值将被锁存到CCR中，可用于测量PWM波形的频率、占空比、脉冲间隔、电平持续时间等参数
- 每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输入捕获通道
- 可配置为PWMI模式，同时测量频率和占空比
- 可配合主从触发模式，实现硬件全自动测量
- 由于输入捕获和输出比较是共用引脚和寄存器，所以对于某个定时器的某个通道，只能使用一个输入捕获或者输出比较，不能共用
1 频率测量
1.测频法：在闸门时间T内，对上升沿计次，得到N，则频率
2.测周法：两个上升沿内，以标准频率fc计次，得到N ，则频率
相当于说测一个周期的时间是N/fc，然后取倒数就是频率
3.中界频率：测频法与测周法误差相等的频率点
测频法，要求频率高一些精确度更高，测周法要求频率低一些，这样计次会更多，多高算高，多低算低，就看中界频率。当待测信号频率小于中界频率时，选测频法更合适，反之测周法更合适。
2 输入捕获通道
3 主从触发模式
- 主模式可以将定时器内部的信号，映射到TRGO引脚，用于触发别的外设
- 从模式就是接收其他外设或者自身外设的信号，用于控制自身定时器的运行，也就是被别的信号控制
- 触发源选择，就是选择从模式的触发信号源，可以认为是从模式的一部分
4 输入捕获基本结构
5 PWMI基本结构
9 定时器编码器接口
- Encoder Interface 编码器接口
- 编码器接口可接收增量（正交）编码器的信号，根据编码器旋转产生的正交信号脉冲，自动控制CNT自增或自减，从而指示编码器的位置、旋转方向和旋转速度
- 每个高级定时器和通用定时器都拥有1个编码器接口
- 两个输入引脚借用了输入捕获的通道1和通道2
1 正交编码器
2 编码器接口的基本结构
3 工作模式
4 实例（使用在TI1和TI2上计数，不反向）
5 实例（使用在TI1和TI2上计数，TI1反向）
也就是TI1的极性翻转
10 ADC模数转换器
- ADC（Analog-Digital Converter）模拟-数字转换器
- ADC可以将引脚上连续变化的模拟电压转换为内存中存储的数字变量，建立模拟电路到数字电路的桥梁
- 12位逐次逼近型ADC，1us转换时间
- 输入电压范围：0--3.3V，转换结果范围：0--4095
- 18个输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源
- 规则组和注入组两个转换单元
- 模拟看门狗自动监测输入电压范围
- STM32F103C8T6 ADC资源：ADC1、ADC2，10个外部输入通道
1 逐次逼近型ADC
2 ADC框图
拿点菜举例子，传统ADC就是你点一个菜，做一个菜，然后做好了你可以再点
而STM32的ADC是你点一个菜单，让它做，这就是所谓的分组和可以选择多个通道
3 ADC基本结构
4 输入通道
5 ADC转换模式
1 单次转换，非扫描模式（并未用到菜单列表）
2 连续转换，非扫描模式（转换完成后不停止，立刻下一次转换）
3 单次转换，扫描模式（用到菜单列表）
4 连续转换，扫描模式
6 触发控制
7 数据对齐
由于我们ADC是12位的，转换结果就是12位的数据，但是数据寄存器是16位，所以存在对齐问题
- 右对齐：高位多出来的就补0（一般选择它，读出来的数据就是转换结果）
- 左对齐：低位多出来的就补0，直接读会比原始数据大16倍，如果不需要那么高的分辨率，可以取左对齐的数据寄存器高8位，这样舍弃了4位的精度
8 转换时间
- AD转换的步骤：采样，保持，量化，编码（量化编码就是比较的过程）
- STM32 ADC的总转换时间为：
- TCONV = 采样时间 + 12.5个ADC周期（量化编码花费的时间）
- 例如：当ADCCLK=14MHz，采样时间为1.5个ADC周期
- TCONV = 1.5 + 12.5 = 14个ADC周期 = 1μs
9 校准
- ADC有一个内置自校准模式。校准可大幅减小因内部电容器组的变化而造成的准精度误差。校准期间，在每个电容器上都会计算出一个误差修正码(数字值)，这个码用于消除在随后的转换中每个电容器上产生的误差
- 建议在每次上电后执行一次校准
- 启动校准前， ADC必须处于关电状态超过至少两个ADC时钟周期
10 硬件电路
11 DMA直接存储器存取
1 DMA简介
- DMA（Direct Memory Access）直接存储器存取
- DMA可以提供外设和存储器或者存储器和存储器之间的高速数据传输，无须CPU干预，节省了CPU的资源
- 12个独立可配置的通道： DMA1（7个通道）， DMA2（5个通道）
- 每个通道都支持软件触发和特定的硬件触发（也就是说不同硬件能触发的通道不同）
- STM32F103C8T6 DMA资源：DMA1（7个通道）
2 存储器映像
3 DMA框图
4 DMA基本结构
DMA触发有三个条件：
- 传输计数器大于0
- 触发源有触发信号
- DMA使能
5 DMA请求
6 数据宽度与对齐
由于DMA传输数据常遇到宽度不一致的问题，就应该有一种对齐方案，此处如果源数据宽度长，那么直接舍去源数据宽度的高位。如果源数据宽度短，那么直接将源数据前面补0。
7 数据转运+DMA
8 ADC扫描模式+DMA
9 USART串口协议
1 通信接口
- 通信的目的：将一个设备的数据传送到另一个设备，扩展硬件系统
- 通信协议：制定通信的规则，通信双方按照协议规则进行数据收发
- 全双工一般需要有两根数据线
- 有单独时钟线的会同步
- 单端信号是指引脚的高低电平是对GND的电压差，单端信号需要共地，差分信号是指差分线的电压差，不需要共地，有较强抗干扰能力
2 串口通信
- 串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信
- 单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信，极大地扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力
3 硬件电路
- 简单双向串口通信有两根通信线（发送端TX和接收端RX）
- TX与RX要交叉连接
- 当只需单向的数据传输时，可以只接一根通信线
- 当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片
4 电平标准
电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：
- TTL电平：+3.3V或+5V表示1，0V表示0
- RS232电平：-3-15V表示1，+3+15V表示0
- RS485电平：两线压差+2+6V表示1，-2-6V表示0（差分信号）
5 串口参数及时序
串口发送一个字节会存在一个数据帧内，在串口空闲（不发送数据）情况下，默认为高电平，所以帧需要一个起始位为低电平，产生下降沿告诉串口"我要发送数据"，发送完成之后，需要一个停止位恢复为高电平，方便产生下一次的下降沿
- 波特率：串口通信的速率（在二进制调制情况下， 波特率等于比特率）
- 起始位：标志一个数据帧的开始，固定为低电平
- 数据位：数据帧的有效载荷，1为高电平，0为低电平，低位先行（就是完全倒过来，比如发0x55，对应的二进制是0101 0101，也就是要发1010 1010）
- 校验位：用于数据验证，根据数据位计算得来
- 停止位：用于数据帧间隔，固定为高电平
6 USART简介
- USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）通用同步/异步收发器
- USART是STM32内部集成的硬件外设，可根据数据寄存器的一个字节数据自动生成数据帧时序，从TX引脚发送出去，也可自动接收RX引脚的数据帧时序，拼接为一个字节数据，存放在数据寄存器里
- 自带波特率发生器，最高达4.5Mbits/s
- 可配置数据位长度（8/9）、停止位长度（0.5/1/1.5/2）
- 可选校验位（无校验/奇校验/偶校验）
- 支持同步模式、硬件流控制、DMA、智能卡、IrDA、LIN
- STM32F103C8T6 USART资源： USART1、 USART2、 USART3
- USART1是APB2总线上的设备，其他是APB1总线上的设备
7 USART框图
这里的TDR和RDR其实在物理上就是一个寄存器
- 对于发送端，数据通过CPU或者DMA写入发送数据寄存器，如果发送移位寄存器中没有数据，就直接将发送数据寄存器的数据移动到发送移位寄存器，然后置标志位，表示数据又可以送到发送数据寄存器中了。发送移位寄存器进行向右移位（这也是低位先行的原因）移出去，一旦全部移完，发送数据寄存器的数据又可以挪到发送移位寄存器中去了。
- 对于接收端也类似，数据通过RX引脚在接收器控制下通向接收移位寄存器，先放置在高位，然后像右移，同样也是低位先行， 到8位之后检查标志位，如果判断到接收数据寄存器非空，就会将接收移位寄存器中整体移动到接收数据寄存器中
- 硬件数据流控，如果发送太快，接收来不及处理，这样会产生错误，所以来一个流控进行控制（一般不用）
- 唤醒单元可以实现多设备的功能，给设备分配地址，然后通过看地址是否一致可以唤醒设备（一般不用）
- 状态寄存器中，有TXE（发送数据寄存器空）和RXNE（接收数据寄存器非空）两个标志位比较重要
8 USART基本结构
9 数据帧
10 起始位侦测
进行一个16倍采样，检测3 5 7次要至少出现两个0，8 9 10次也要至少出现两个0，为了抗噪声。之后检测数据位时，都在8 9 10次进行采样，保证在数据中间
11 数据采样
都检测8 9 10 位，如果没有噪声就会全部为1或者0，如果有噪声 按2：1来判断是1还是0
12 波特率发生器
发送器和接收器的波特率由波特率寄存器BRR里的DIV（分频系数）确定
计算公式：
13 数据包
1 HEX数据包
2 文本数据包
3 HEX数据包接收
4 文本数据包接收
14 FlyMcu串口下载和STLINK Utility
1 FlyMcu类似于51单片机的STC-ISP
这里必须得使用USART1串口，因为该软件只适配了该串口
- 编写好的程序进行编译生成HEX文件，在FlyMcu中打开该文件
- 在开始编程（烧录）之前，需要配置BOOT引脚，让STM32执行BOOTLoader程序
- 在STM32上将BOOT0的跳线帽切换到1，如下图所示，然后再按下复位键。必须按下复位键，因为STM32只有在刚复位时才会读取BOOT引脚
- 程序已经成功下载到STM32的闪存中之后，还是无法出现想要的结果，需要将BOOT0引脚换回来，再按下复位，这时候就成功了
- STM32通过串口进行程序的自我更新就是靠BootLoader，BootLoader程序存储在ROM区的最后，在更新过程中，BootLoader接受USART1数据，刷新到程序存储器，这时候主程序是处于瘫痪状态，更新好之后，在启动主程序，执行新程序，这就是串口下载的流程。
- 每次下载都要切换跳线帽，有些麻烦，可以接两根线，当要进行下载时自动设置BOOT0的高低电平，实际上是可行的，在CH340芯片上，由于不使用流控，会存在一些多余的接口可以当做普通IO口来使用，可以用他们控制。
