【STM32】05.TIM定时器

一、PWM 概述

PWM（Pulse Width Modulation），中文叫脉冲宽度调制，是一种用数字信号来模拟模拟信号的技术。这种信号通常用于控制电机的速度、灯光的亮度等。
信号示意如下：

三、PWM关键参数

• 频率（frequency）：PWM信号的重复速率，单位通常是赫兹（Hz）。
• 周期（period）：从一个脉冲开始到下一个相同脉冲开始的时间间隔。
• 占空比（duty）：在一个周期内脉冲高电平持续时间与整个周期时间的比例。
  
  1个周期时间 = 1 / 频率

三、TIM定时器简介

TIM（Timer）定时器是STM32微控制器中非常重要的外设模块，用于各种定时、计数、PWM生成、输入捕获等应用。

**四、**TIM 定时器类型

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| 定时器类型 | 主要特性 | 应用场景 |
| 基本定时器 | 16位向上计数，只能定时 | 基础延时、DAC触发 |
| 通用定时器 | 16位向上/向下计数，4通道，支持输入捕获/输出比较 | 输出PWM、输入捕获、输出比较 |
| 高级定时器 | 16位向上/向下计数，拥有通用定时器一样功能，并扩展了互补输出，死区控制功能 | 输出PWM、电机控制、电源管理 |

在《STM32F103xx数据手册中文版.pdf》第 5 页，外设资源数量表中，可以看到，STM32F103中等容量系列控制器有3个通用定时器和1个高级控制定时器。

五、 STM32定时器输出PWM

利用STM32高级 / 通用定时器的输出比较功能，都可以输出PWM。下面以高级定时器的输出比较功能讲解：

1. 时钟源选择

定时器时钟源一般选择内部72 MHz 时钟 CK_INT

2. 时基单元

2. 1 时基单元作用

从图中可看出，计数器CNT根据CK_CNT频率向上 / 向下计数，即每来一个CK_CNT脉冲，TIMx_CNT（计数器寄存器）值就加1。 当TIMx_CNT值与TIMx_ARR（自动重载寄存器）的设定值相等时就自动生成更新事件或中断，并且TIMx_CNT自动清零，然后自动重新开始计数。如此重复以上过程。
总结：时基单元的作用是产生一个精确的、周期性的时间基准，这个基准可以用来：

• 驱动计数器，从而实现定时功能。
• 触发其他事件，如更新中断、DMA请求等。

2. 2 时基频率

CK_CNT频率 = 定时器时钟源频率 / (预分频器值 + 1)
为什么是 "预分频器值 + 1"？手册规定：

3. 输出比较

输出比较就是通过定时器的外部引脚对外输出控制信号，如常用的 PWM 信号。

3. 1 PWM输出引脚

查阅《STM32F103xx数据手册中文版.pdf》中的表5-中等容量STM32F103xx引脚定义，例如:

可以看到 PA8 是 TIM1的通道1引脚。

3. 2 输出PWM逻辑

上图展示 STM32 定时器 "PWM1 模式 + 向上计数" 的工作逻辑：

• 计数器 CNT 从 0 递增至自动重装值 ARR 后重置
• 当 CNT < 比较值 CCR1 时，主输出 OC1 为高电平、互补输出 OC1N 为低电平
• 当 CNT≥CCR1 时，OC1 切换为低电平、OC1N 切换为高电平
• ARR 决定 PWM 周期，CCR1 控制占空比。
  （扩展：互补输出（如 OC1N）常用于电机驱动的 H 桥电路，通过与主输出的反相电平避免桥臂直通，实现电机的调速或正反转控制。）

3. 3 PWM周期计算

PWM 周期 = 计数一次时间 * 一个周期计数次数
= 1 / CK_CNT频率 * （ARR + 1）
例如：定时器时钟源频率为72MHz，预分频器寄存器PSC数值为 71，自动重装再寄存器ARR为 999
PWM 周期 = 1 / (72MHz / (71 + 1) ) * (999 + 1) = 1 / 1000Hz
PWM 频率 = 1 / PWM 周期 = 1KHz
为什么计数次数是ARR+1?看下图理解：

可以看到，定时器是从 0 开始计数，直到 ARR 值，这一过程包含了 "0 到 ARR" 共 (ARR+1) 个计数点。

3. 4 占空比计算

"PWM1 模式 + 向上计数下，占空比计算：
占空比 = （ ARR+1）/ （CCR+1）​×100%
例如，若设置 CCR=500（PWM 模式 1）：有效电平计数次数 = 500+1=501；
占空比 = 501 / 1000 ×100%≈50.1%（接近 50% 的占空比）。

六、PWM输出配置

1. 硬件设计

以网关设备的PA8，即TIM1通道1输出PWM，控制LED灯的亮度为例:

2. STM32CubeMX配置

3. STM32CubeMX生成的代码分析

4. 编写用户代码

需要运行以下函数：

#include "tim.h" // 包含STM32CubeMX生成的TIM头文件 

HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); // 启动定时器1的PWM输出 

__HAL_TIM_SetCompare(&htim1, TIM_CHANNEL_1, 300); // 设置定时器1，CCR1为300，这时PWM占空比30%

示例：

#include "app_main.h"
#include "main.h"
#include "tim.h" // 包含STM32CubeMX生成的TIM头文件
...省略显示中间代码

// 替代main函数中的while循环
void app_main(void)
{
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);         // 启动定时器1的PWM输出
    __HAL_TIM_SetCompare(&htim1, TIM_CHANNEL_1, 300); // 设置定时器1，CCR1为300，这时PWM占空比30%

    while (1)
    {
    }
}