定时器详解以及呼吸灯实现 — STM32（HAL库）

1. 定时器的分类

以下举例以STM32F103ZET6进行举例。

定时器分为3类，分别为基本定时器(2个)，通用定时器(4个)，高级定时器(2个)。

它们都是16位自动装载计数器（0 ~ 65535）

基本定时器只能配置为向上计数，通用和高级定时器可以配置为向上计数、向下计数、向上/向下计数。

基本定时器： 功能最少，只有计时的功能，Tim6 和Tim7

通用定时器： 除了可以进行计时之外，还可以输入捕获、输出比较、生成PWM方波，Tim2~5

高级定时器： 除了上述的所有功能外，还额外增加了死区时间插入功能、互补 PWM 输出、刹车（Break）功能、重复计数器（Repetition Counter） 等功能，Tim1 和Tim8

2. 定时器框图

STM32的众多定时器中我们使用最多的是高级定时器和通用定时器，高级定时器功能较复杂，日常开发中通用定时器使用更广泛，下面我们就以通用定时器为例进行讲解，其功能和特点包括：

• 位于低速的APB1总线上(APB1) （注意：高级定时器位于高速的APB2总线上）
• 16 位向上、向下、向上/向下(中心对齐)计数模式，自动装载计数器（TIMx_CNT）。
• 16 位可编程(可以实时修改)预分频器(TIMx_PSC)，计数器时钟频率的分频系数 为 0～65535 之间的任意数值。
• 4 个独立通道（TIMx_CH1~4），这些通道可以用来作为：

|--------------------------------|--------------------------|
| 输入捕获 | 测量外部信号的周期、占空比（如编码器、红外信号） |
| 输出比较 | 控制 GPIO 的翻转时间点（如精确延时） |
| PWM 生成 | 电机驱动、LED 调光、音频输出 |
| 单脉冲模式（One Pulse Mode, OPM） | 用于一次性的脉冲输出（如超声波测距） |

• 可使用外部信号（TIMx_ETR）控制定时器和定时器级连（可以用 1 个定时器控制另外一个定时器）的同步电路。
• 在 STM32 中，每个定时器的核心功能模块是相互独立的 ，可以独立配置、独立运行，互不干扰。但在系统层面的资源（如时钟总线、中断向量）存在部分共享。

大部分情况，内部时钟源足够使用。不配置时钟源的情况下，默认选择的就是内部时钟源。

3. 时基单元

定时器框图中，使用黄色框圈住部分就是定时器的时基单元，包含3 个部分的内容：预分频寄存器（PSC）、计数器寄存器（CNT）、自动重装载寄存器（ARR）。

• 计数器寄存器：可以通过配置，控制其计数方式为向上计数、向下计数、向上/向下计数（中心对齐计数）。
• 预分频寄存器：是 16 位寄存器，取值范围为 0~65535 ，而实际的分频系数计算公式为 "分频系数 = PSC + 1"。
• 自动重装载寄存器：是 16 位寄存器，取值范围为 0~65535，对应的计数范围为1~65536（既ARR + 1）

eg：如果配置为向上计数，每来一个计数时钟，CNT便会加1，当 CNT 的值等于 ARR 时，此时还未产生更新事件，只是达到了预设的最大计数值，下一个计数时钟到来时 ，CNT 无法继续递增（因 ARR 是最大值），会溢出并重置为 0， 溢出的同时，硬件自动触发 "更新事件"（Update Event）；若已使能更新中断（通过TIM_ITConfig），则会产生中断。

4. 使用通用定时器实现1s触发一次中断（Hal库 - Tim2举例）

使用定时器实现led灯定时亮灭

• 定时器配置（通过CubeMX软件，配置Tim2的时钟源为内部时钟，PSC为7199以及ARR为9999 LED灯的引脚这里选择PA1，根据电路的原理图配置 ------ 生成代码，自动生成如下内容）

TIM_HandleTypeDef htim2;

/* TIM2 init function */
void MX_TIM2_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN TIM2_Init 0 */

  /* USER CODE END TIM2_Init 0 */

  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

  /* USER CODE BEGIN TIM2_Init 1 */

  /* USER CODE END TIM2_Init 1 */
  htim2.Instance = TIM2;
  htim2.Init.Prescaler = 7199;
  htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim2.Init.Period = 9999;
  htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN TIM2_Init 2 */

  /* USER CODE END TIM2_Init 2 */

}

• 中断服务函数（通过重写回调函数实现小灯引脚的电平翻转）

void TIM2_IRQHandler(void) {
    HAL_TIM_IRQHandler(&htim2);     // 调用HAL库中断处理
}


// 当前的中断回调函数触发的条件为：更新事件（CNT 溢出）
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if (htim->Instance == TIM2)
  {
    // 每秒执行一次翻转LED灯
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
  }
}

• 调用API启动定时器中断（在main函数中的MX_TIM2_Init();之后调用启动定时器中断的API）

if (HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2) != HAL_OK) // 启动TIM2并使能更新中断
{
   Error_Handler();
}

5. 使用通用定时器生成PWM（Tim5_CH2为例）

使用PWM方波实现呼吸灯的效果

---

PWM：脉冲宽度调制， "Pulse Width Modulation"的缩写，简称脉宽调制

• 周期、频率、占空比（高电平占整个周期的比例）
• 一般用于具有惯性的场景（比如LED亮度调节，控制电机）

周期：连续两个上升沿或者连续两个下降沿之间的宽度，使用T表示

频率：1 / T(周期)
一般不改变频率和周期，通过改变占空比达到对外输出的有效电压的值

• 定时器配置（除了上面的配置之外，选择通道2 --- PWM Generation CH1，配置PSC为71，ARR为99，PWM为mode1，脉冲为50，高电平为有效电平 ------ 生成代码）

TIM_HandleTypeDef htim5;

/* TIM5 init function */
void MX_TIM5_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN TIM5_Init 0 */

  /* USER CODE END TIM5_Init 0 */

  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
  TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

  /* USER CODE BEGIN TIM5_Init 1 */

  /* USER CODE END TIM5_Init 1 */
  htim5.Instance = TIM5;
  htim5.Init.Prescaler = 71;
  htim5.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim5.Init.Period = 99;
  htim5.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim5.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim5) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim5, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim5) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim5, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  sConfigOC.Pulse = 50;
  sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
  sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim5, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN TIM5_Init 2 */

  /* USER CODE END TIM5_Init 2 */
  HAL_TIM_MspPostInit(&htim5);

}

• 启动 TIM5 通道 2 的 PWM 输出（否则无波形输出）

// 注意：在main函数，MX_TIM5_Init();之后，while循环之前调用
HAL_TIM_PWM_Start(&htim5, TIM_CHANNEL_2);

• 实现呼吸灯的逻辑在while循环中（也可以单独创建一个函数，放在函数中实现）

// 通过改变脉冲值来改变占空比，实现呼吸灯的效果
// 原理：在PWM mode 1下，计数器CNT < 脉冲值pulse，则输出有效电平（这里配置为高电平，可根据需求修改极性）
uint16_t pulse = 0;
for (pulse = 0; pulse <= 99; pulse++)
{
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim5, TIM_CHANNEL_2, pulse);
  HAL_Delay(10);

for (pulse = 99; pulse > 0; pulse--)
{
  __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim5, TIM_CHANNEL_2, pulse);
  HAL_Delay(10);
}

这样就实现了呼吸灯的效果了，但是这样会导致阻塞主循环（如果程序中还包含其他的逻辑，那么就推荐使用中断的方式去修改脉冲值会更好）

6. 呼吸灯优化（使用中断回调方式）

思路：

方案一：当前使用Tim5来输出PWM，可以使用另一个定时器固定周期触发一次中断，每次中断修改定时器5的脉冲值Pluse，控制占空比递增/递减，形成呼吸效果（但是这样就需要使用到两个定时器，如果定时器资源较为紧张，那么则推荐使用方案二）

方案二：复用 PWM 定时器自身的更新中断，调整 ARR 同时兼顾 PWM 频率和中断周期

由于现实场景中方案二使用更多，所以通过方案二举例：

调整 ARR 同时兼顾 PWM 频率和中断周期：中断周期 10ms，PWM 频率 1kHz（仍无频闪），配置如下：

• PSC=71（计数时钟 = 72MHz/(71+1)=1MHz）；
• ARR=999（PWM 周期 = 1000×1μs=1ms，中断周期 = 1ms，即每 1ms 触发一次更新中断）。

• 开启定时器5的中断（在CubeMX中进行勾选，设置ARR为999，其他内容保持不变）

// 开启了定时器5的中断之后，系统会自动调用中断处理函数，如下：
void TIM5_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN TIM5_IRQn 0 */

  /* USER CODE END TIM5_IRQn 0 */
  HAL_TIM_IRQHandler(&htim5);
  /* USER CODE BEGIN TIM5_IRQn 1 */

  /* USER CODE END TIM5_IRQn 1 */
}

• 通过定时器中断去改变定时器的脉冲值（逻辑为：每触发10次中断 --- 10ms，对脉冲值pluse进行加1或者减1的操作，并更新脉冲值）

// 首先声明全局变量
uint16_t pwm_pulse = 0;
int8_t pulse_step = 1;


// 同样在main函数的MX_TIM5_Init();之后，调用
HAL_TIM_PWM_Start_IT(&htim5, TIM_CHANNEL_2);


// 重写中断回调函数（可以写在任意位置 - 不要写在某一个函数里面）
// 这个中断回调函数触发的条件是：比较匹配事件（CNT == CCRx）比之前的中断回调函数更合适
void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if (htim->Instance == TIM5)
  {
    static uint8_t interrupt_count = 0;
    if (++interrupt_count >= 10)
    {
      interrupt_count = 0;

      pwm_pulse += pulse_step;
      if (pwm_pulse >= 999)
        pulse_step = -1;
      if (pwm_pulse <= 0)
        pulse_step = 1;

      __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim5, TIM_CHANNEL_2, pwm_pulse);
    }
  }
}

补充内容："系统定时器（滴答定时器）属于 CM3 内核，内嵌在 NVIC 中，是一个 24bit 的向下递减计数器。计数器寄存器 VAL 每计数一次的时间为 1/SYSCLK（一般配置 SYSCLK 为 72MHz）。当 VAL 递减到 0 时，产生一次中断，随后自动将重装载寄存器 LOAD 的值加载到 VAL 中，循环往复。"

一般使用系统滴定时器作为系统时基，简单的延时函数，不占用芯片外设资源，仅消耗内核资源。