细说STM32F407通用定时器的基础知识

一、通用定时器功能概述

二、细说2通道定时器的功能

1.时钟信号和触发控制器

2.时基单元工作原理

(1)计数寄存器(CNT)

(2)预分频寄存器(PSC)

(3)自动重载寄存器(ARR)

(4)时基单元的控制位

3.捕获/比较通道

三、生成PWM波

1.生成PWM波的原理

2.与生成PWM波相关的HAL函数

四、输出比较

1.输出比较的原理

2.输出比较相关的HAL函数

五、输入捕获

1.输入捕获的原理

2.输入捕获相关的HAL函数

六、PWM输入模式

1.测量PWM波参数的原理

2.测量PWM波参数的相关HAL函数

七、定时器同步

八、通用定时器中断事件和回调函数

STM32F407的通用定时器数量较多，TIM2～TIM5以及TIM9～TIM14都是通用定时器。通用定时器的功能基本相同，只是计数器有的是32位，有的是16位，捕获/比较通道有4通道、 2通道或1通道。通用定时器除了基本的定时功能，还具有输入捕获、输出比较、PWM输出等功能。TIM1和TIM8是高级控制定时器，除了具有通用定时器的功能，还有带可编程死区的互补输出、重复计数器等功能，高级控制定时器一般用于电机的控制。

一、通用定时器功能概述

通用定时器的区别主要在于计数器的位数、捕获/比较通道的个数不同。通用定时器具有以下特性。

16位或32位自动重载计数器。
16位可编程预分频器，分频系数为1～65536。分频系数可在运行时修改。
有1、2或4个独立通道，可用于：输入捕获、输出比较、 PWM生成(边沿对齐或中心对齐)、单脉冲模式输出。
可使用外部信号控制定时器，可实现多个定时器互连的同步电路。
发生如下事件时产生中断或DMA请求：

（1）更新——计数器上溢/下溢、计数器初始化(通过软件或内部/外部触发)；
（2）触发事件(计数器启动、停止、初始化或通过内部/外部触发计数)；
（3）输入捕获；
（4）输出比较。

TIM2～TIM5的功能更多一些，TIM2～TIM5可以使用外部时钟信号驱动计数器，而TIM9～ TIM14只能使用内部时钟信号。

通用定时器有1、2或4个捕获/比较通道，只是4通道的定时器有外部时钟输入通道，2通道和1通道定时器只能使用内部时钟。1通道定时器没有内部触发输入，也就是不能工作于从模式(slave mode)与其他定时器串联。

二、细说2通道定时器的功能

2通道定时器的功能比较典型，下图是2通道的TIM9和TIM12的内部功能结构图。

1.时钟信号和触发控制器

定时器可以使用内部时钟(CK_INT)驱动，内部时钟来源于APB1或APB2总线的定时器时钟信号。如果定时器设置为从模式，还可以使用其他定时器输出的触发信号作为时钟信号，比如，ITR0、ITR1等。

触发控制器用于选择定时器的时钟信号，并且可以控制定时器的复位、使能、计数等。触发控制器输出时钟信号CK_PSC，若选择使用内部时钟，则CK_PSC就等同于CK_INT。

2.时基单元工作原理

定时器的主要模块是一个16位的计数器(TIM2和TIM5是32位计数器)及其相关的自动重载寄存器，计数器以递增方式计数(TIM2和TIM5还能递减计数，或递增/递减计数)。一个16位的预分频器对输入时钟信号CK_PSC进行分频，分频后的时钟信号CK_CNT驱动计数器。计数器内部还有时钟分频功能，可以对CK_CNT时钟信号进一步地进行1分频(不分频)、2分频或4分频。

时基单元包括3个寄存器，其功能描述如下。

(1)计数寄存器(CNT)

这个寄存器存储计数器当前的计数值，可以在运行时被读取。

(2)预分频寄存器(PSC)

这个寄存器的数值范围为0～65535，对应于分频系数1～65536。在定时器运行时修改PSC寄存器的值，需要在下一个UEV事件时才会写入预分频器缓冲区并生效。例如，PSC寄存器初始值为0，预分频器缓冲区是实际用于分频的值。在某个时刻将PSC的值改为1，这个值并未立刻传送到预分频器缓冲区，仍按照原来的值分频和计数。到下一个UEV事件发生时，PSC寄存器里的值才更新到预分频器缓冲区，分频系数变为2，计数器也使用新的时钟频率计数。

(3)自动重载寄存器(ARR)

这个寄存器存储的是定时器计数周期。自动重载寄存器(Auto-Reload Register,ARR)是预装载的，它具有影子寄存器。影子寄存器用于底层的实时工作。在定时器工作时改变ARR的值，根据控制寄存器TIMx_CR1中ARPE 位的设置不同，ARR的值更新到影子寄存器的方式不同。

控制寄存器TIMx_CR1中的自动重载预装载(Auto-Reload Preload,ARPE)位为0时，即禁用预装载功能时，ARR的值立刻生效。例如，ARR的初始值为FF，在某个时刻更新ARR的值为36，计数器的值达到36时就产生UEV事件，而不是按照原来的值FF产生UEV事件。所以，APRE=0时，给ARR设置的新值立刻生效。

当APRE=1时，修改ARR的值，例如，ARR的初始值为F5，在某个时刻将ARR的值改为36，那么计数器还是计数到F5时才产生UEV事件，然后才将新的值36写入ARR的影子寄存器。所以，APRE=1时，ARR设置的新值要在下一个UEV事件时才生效。

(4)时基单元的控制位

时基单元的控制位主要有以下两个。

TIMx_CR1寄存器中的CEN(Counter Enable)位使能计数器，当CEN设置为1时，计数器经过一个CK_CNT周期后开始计数，当CEN设置为0时，计数器停止工作。
TIMx_EGR寄存器中的UG(Update Generation)位是用软件方式产生一次更新事件，使定时器复位，例如，定时器没有预分频，软件设置UG位为1后，经过1个CK_CNT脉冲后产生UEV事件，并自动将UG位复位，计数器寄存器清零，预分频计数器也清零，重新开始计数。

3.捕获/比较通道

通用定时器有1、2或4个捕获/比较通道，每个通道是独立工作的。TIM9和TIM12的定时器有2 个捕获/比较通道：一个通道要么作为捕获输入通道，要么作为比较输出通道；每个通道有一个复用的引脚，如TIM9_CH1、TIM9_CH2复用引脚。

捕获/比较通道由输入阶段、比较阶段和输出阶段组成。

输入阶段。通道作为输入引脚，例如，图中左侧的TIMx_CH1，从复用引脚输入时钟信号TI1，输入阶段可以对输入信号TI1进行滤波和边沿检测，再经过选择器和预分频器后得到时钟信号IC1PS。
捕获/比较阶段。有一个具有预装载功能的捕获/比较寄存器(Capture/Compare Register)，以及相关的影子寄存器，可以读写CCR。在捕获模式下，捕获实际发生在影子寄存器中，然后将影子寄存器的内容复制到CCR中。在比较模式下，CCR的内容将复制到影子寄存器中，然后将影子寄存器的内容与计数器值进行比较。
输出阶段：输出阶段就是根据设置的工作模式和控制逻辑，控制输出引脚的电平。使用捕获/比较通道，通用定时器可以实现如下功能。
输入捕获，可用于测量一个时钟信号的频率，脉冲宽度等。
输出比较，将计数器CNT的值与CCR的值比较，控制输出引脚的电平。
PWM生成，通过设置ARR和CCR的值，在计数器的值CNT变化过程中输出PWM 波。PWM波的频率由ARR决定，占空比由CCR决定。
单脉冲模式输出。

三、生成PWM波

1.生成PWM波的原理

PWM(Pulse Width Modulation)就是脉冲宽度调制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。PWM波就是具有一定占空比的方波信号，通过定时器的设置可以控制方波的频率和占空比，从而对模拟电压进行数字编码。理论上，只要带宽足够(PWM波的频率足够高),任何模拟值都可以使用PWM进行编码。使用定时器生成PWM波的工作原理如下图，这里定时器是递增计数，PWM波是边沿对齐方式。

其基本工作原理描述如下。

设置自动重载寄存器ARR的值，这个值决定了PWM波一个周期的长度，比如PWM一个周期是100ms。
设置捕获比较寄存器CCR的值，在一个ARR计数周期内，当计数器值CNT <CCR 时，PWM参考信号OCxREF(x表示定时器编号)为高电平；当CNT ≥CCR时， OCxREF为低电平，并可产生CC(捕获/比较)事件。所以，CCR的值决定了占空比，例如，设置CCR的值，使一个PWM波周期内高电平时长为70ms，则占空比为70%。
在计数器的值达到ARR值时，产生UEV事件。CCR具有预装载功能，修改的CCR 值需要在下一个UEV事件时才生效。

通用定时器都具有生成PWM波的功能，PWM波可以输出到定时器的通道引脚，也可以不输出到引脚。某些定时器输出PWM波还具有中心对齐模式。

2.与生成PWM波相关的HAL函数

与生成PWM波相关的HAL函数如下表。还有以DMA方式启动和停止PWM的函数，但是定时器基本不使用DMA方式。

函数名	功能描述
HAL_TIM_PWM_Init()	生成PWM波的配置初始化，需先执行HAL_TIM_Base_Init()进行定时器初始化
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel()	配置PWM输出通道
HAL_TIM_PWM_Start()	启动生成PWM波，需要先执行HAL_TIM_Base_Start()启动定时器
HAL_TIM_PWM_Stop()	停止生成PWM波
HAL_TIM_PWM_Start_IT()	以中断方式启动生成PWM波，需要先执行HAL_TIM_Base_Start_IT()启动定时器
HAL_TIM_PWM_Stop_IT()	停止生成PWM波
HAL_TIM_PWM_GetState()	返回定时器状态，与HAL_TIM_Base_GetState()功能相同
__HAL_TIM_ENABLE_OCxPRELOAD()	使能CCR的预装载功能，为CCR设置的新值要等到下一个UEV事件发生时才更新到CCR
__HAL_TIM_DISABLE_OCxPRELOAD()	禁止CCR的预装载功能，为CCR设置的新值会立刻更新到CCR
__HAL_TIM_ENABLE_OCxFAST()	启用一个通道的快速模式
__HAL_TIM_DISABLE_OCxFAST()	禁用一个通道的快速模式
HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback()	当计数器的值等于CCR的值时，产生输出比较事件，这是对应的回调函数

四、输出比较

1.输出比较的原理

输出比较(output compare)用于控制输出波形，或指示经过了某一段时间。它的工作原理是：用捕获/比较寄存器的值CCR与计数器值CNT比较，如果两个寄存器的值匹配，产生输出比较结果OCyREF,这个值由比较模式和输出极性决定，这个比较结果可以输出到通道的引脚。比较匹配时，可以产生中断或DMA请求，可以引起输出引脚发生如下几种变化：

冻结(Frozen)，即保持其电平。
有效电平(Active level),有效电平由设置的通道极性决定。
无效电平(Inactive Level)。
翻转(Toggle)。

如果将捕获/比较模式寄存器TIMx_CCMR1或TIMx_CCMR2中的OCyPE(输出比较预装载使能)位设置为0，则捕获/比较寄存器TIMx_CCRy无预装载功能，对TIMx_CCRy寄存器的修改立刻生效；如果设置OCyPE位为1，对TIMx_CCRy寄存器的修改需要在下一个UEV事件时才生效。

这里，寄存器名称或位的名称表示中使用了x和y，例如寄存器TIMx_CCRy, 其中x表示定时器编号，y表示通道编号。某些定时器有2个或4个通道，相应的有寄存器TIMx_CCR1、TIMx_CCR2等。

例如，设置输出极性为高电平、匹配时输出翻转、TIMx_CCR1寄存器无预装载功能时的时序如下图。TIMx_CCR1初始设定值为003A，输出参考OC1REF初始为低电平。当TIMx_CNT 寄存器与TIMx_CCR1寄存器值第1次匹配时(值为003A时)，输出参考OC1REF翻转为高电平，此时，如果使能了输出比较中断，会产生CClIF中断标志。

在中间，修改了TIMx_CCR1寄存器的值为0xB201，因为没有使用预装载功能，所以写入TIMx_CCR1寄存器的值立即生效。当TIMx_CNT寄存器与TIMx_CCR1寄存器值第2次匹配时(值为0xB201时)，输出参考OC1REF再翻转为低电平，并且产生CCIIF中断标志。

2.输出比较相关的HAL函数

输出比较相关的HAL函数如下表。仅列出了相关函数名，简要说明其功能。

函数名	功能描述
HAL_TIM_OC_Init()	输出比较初始化，需先执行HAL_TIM_Base_Init()进行定时器初始化
HAL_TIM_OC_ConfigChannel()	输出比较通道配置
HAL_TIM_OC_Start()	启动输出比较，需要先执行HAL_TIM_Base_Start()启动定时器
HAL_TIM_OC_Stop()	停止输出比较
HAL_TIM_OC_Start_IT()	以中断方式启动输出比较，需要先执行HAL_TIM_Base_Start_IT()启动定时器
HAL_TIM_OC_Stop_IT()	停止输出比较
HAL_TIM_OC_GetState()	返回定时器状态，与HAL_TIM_Base_GetState()功能相同
__HAL_TIM_ENABLE_OCxPRELOAD()	使能CCR的预装载功能，为CCR设置的新值在下个UEV事件发生时才更新到CCR寄存器
__HAL_TIM_DISABLE_OCxPRELOAD()	禁止CCR的预装载功能，为CCR设置的新值立刻更新到CCR
__HAL_TIM_SET_COMPARE()	设置比较寄存器CCR的值
__HAL_TIM_GET_COMPARE()	读取比较寄存器CCR的值
HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback()	产生输出比较事件时的回调函数

五、输入捕获

1.输入捕获的原理

输入捕获(input capture)就是检测输入通道输入方波信号的跳变沿，并将发生跳变时的计数器的值锁存到CCR。使用输入捕获功能可以检测方波信号周期，从而计算方波信号的频率，也可以检测方波信号的占空比。

使用输入捕获功能检测方波信号周期的工作原理示意图如下图所示，设置捕获极性是上跳沿，定时器在ARR的控制下周期性地计数。

图中，假设输入方波的脉冲宽度小于定时器的周期，输入捕获测定脉冲周期的工作原理描述如下：

在一个上跳沿时，状态寄存器TIMx_SR中的捕获/比较标志位CCyIF会被置1，表示发生了捕获事件，会产生相应的中断。计数器的值自动锁存到CCR，假设锁存的值为CCR1。可以在程序里读取出CCR的值，并清除CCyIF标志位。
在下一个上跳沿时，计数器的值也会锁存到CCR，假设锁存的值为CCR2。如果在上次发生捕获事件后，CCR的值没有及时读出，则CCyIF位依然为1，且TIMx_SR中的重复捕获标志位CCyOF会被置1。

如果像图中那样，两个上跳沿的捕获发生在定时器的一个计数周期内，两个计数值分别为CCR1和CCR2，则方波的周期为CCR2-CCR1个计数周期。根据定时器的时钟周期就可以计算出方波周期和频率。

如果方波周期超过定时器的计数周期，或两次捕获发生在相邻两个定时周期里，如图中的CCR2和CCR3，则只需将计数器的计数周期和UEV事件发生次数考虑进去即可，根据CCR2和CCR3计算的脉冲周期应该是ARR-CCR2+CCR3。

输入捕获还可以对输入设置滤波，滤波系数0～15，用于输入有抖动时的处理。输入捕获还可以设置预分频器系数N，数值N的取值为1、2、4或8，表示发生N个事件时才执行一次捕获。

2.输入捕获相关的HAL函数

输入捕获相关的HAL函数如下表。仅列出了相关函数名，简要说明其功能。

函数名	功能描述
HAL_TIM_OC_Init()	输出比较初始化，需先执行HAL_TIM_Base_Init()进行定时器初始化
HAL_TIM_OC_ConfigChannel()	输出比较通道配置
HAL_TIM_OC_Start()	启动输出比较，需要先执行HAL_TIM_Base_Start()启动定时器
HAL_TIM_OC_Stop()	停止输出比较
HAL_TIM_OC_Start_IT()	以中断方式启动输出比较，需要先执行HAL_TIM_Base_Start_IT()启动定时器
HAL_TIM_OC_Stop_IT()	停止输出比较
HAL_TIM_OC_GetState()	返回定时器状态，与HAL_TIM_Base_GetState()功能相同
__HAL_TIM_ENABLE_OCxPRELOAD()	使能CCR的预装载功能，为CCR设置的新值在下个UEV事件发生时才更新到CCR寄存器
__HAL_TIM_DISABLE_OCxPRELOAD()	禁止CCR的预装载功能，为CCR设置的新值立刻更新到CCR
__HAL_TIM_SET_COMPARE()	设置比较寄存器CCR的值
__HAL_TIM_GET_COMPARE()	读取比较寄存器CCR的值
HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback()	产生输出比较事件时的回调函数

六、PWM输入模式

1.测量PWM波参数的原理

PWM输入模式是输入捕获模式的一个特例，可用于测量PWM输入信号的周期和占空比。其原理如下：

将两个输入捕获信号IC1和IC2映射到同一个TI1输入上。
设置这两个捕获信号IC1和IC2在边沿处有效，但是极性相反。
选择TI1FP或TI2FP信号之一作为触发输入，并将从模式控制器配置为复位模式。例如图中所述，是测量TI1(输入通道CH1上的输入PWM波)的周期和占空比的示意图，其初始配置和工作原理描述如下。
将TIMx_CCR1和TIMx_CCR2的输入都设置为TI（即通道TIMx_CH1）。
设置TIMx_CCR1的极性为上跳沿有效，设置TIMx_CCR2的极性为下跳沿有效。
选择TI1FP1为有效触发输入。
将从模式控制器设置为复位模式。
同时使能TIMx_CCR1和TIMx_CCR2输入捕获。
在图中，在第1个上跳沿处，TIMx_CCR1锁存计数器的值，并且使计数器复位；在接下来的下跳沿处，TIMx_CCR2锁存计数器的值(为0002)，这个值就是PWM的高电平宽度；在下一个上跳沿处，TIMx_CCR1锁存计数器的值(为0004)，这个值就是PWM的周期。

2.测量PWM波参数的相关HAL函数

PWM输入模式就是输入捕获模式的一个特例，使用的就是前表中输入捕获相关的HAL函数。

七、定时器同步

两个或多个定时器可以内部连接，实现定时器同步或串联。某个工作于主模式的定时器，可以对另一个工作于从模式的定时器执行复位、启动、停止操作，或为其提供时钟。定时器之间的连接可以实现如下一些功能。

将一个定时器用作另一个定时器的预分频器。
使用一个定时器使能另外一个定时器。
使用一个定时器启动另外一个定时器。
使用一个外部触发信号同步启动两个定时器。

例如，TIM1和TIM2串联工作的示意图中。TIM1工作于主模式，TIM2工作于从模式，TIM1作为TIM2的预分频器，其各种设置和工作原理如下：

设置TIM1工作于主模式，其触发输出(trigger output)信号TRGO1的事件源选择UEV 事件，则每次UEV事件时TRGO1输出一个上升沿的脉冲信号。
将TIM2从模式设置为外部时钟模式，触发信号源选择ITR0，这样TIM1的触发输出信号TRGO1就成了TIM2的时钟信号，相当于TIM1作为TIM2的预分频器。
启动TIM1和TIM2，这两个定时器就开始串联工作。

八、通用定时器中断事件和回调函数

所有定时器的中断ISR里调用一个相同的函数HAL_TIM_IRQHandler()，这是定时器中断处理通用函数。在这个函数里，程序会判断中断事件类型，并调用相应的回调函数。例如，基础定时器只有一个UEV事件，对应的回调函数是HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(htim)。通用定时器和高级控制定时器有更多的中断事件和回调函数，文件stm32f4xx hal_tim.h定义了定时器所有中断事件类型的宏：

 #define TIM_IT_UPDATE TIM_DIER_UIE 	//更新中断(Update interrupt) #define TIM_IT_CC1 TIM_DIER_CC1IE		//捕获/比较1中断(Capture/Compare 1 interrupt)#define TIM_IT_CC2 TIM_DIER_CC2IE		//捕获/比较2中断(Capture/Compare 2 interrupt)#define TIM_IT_CC3 TIM_DIER_CC3IE 		//捕获/比较3中断(Capture/Compare 3 interrupt)#define TIM_IT_CC4 TIM_DIER_CC4IE 		//捕获/比较4中断(Capture/Compare 4 interrupt)#define TIM_IT_COM TIM_DIER_COMIE		//换相中断(Commutation interrupt)#define TIM_IT_TRIGGER TIM_DIER_TIE	//触发中断(Trigger interrupt) #define TIM_IT_BREAK TIM_DIER_BIE		//断路中断(Break interrupt)

函数HAL_TIM_IRQHandler()会根据中断事件标志位和中断事件使能标志位，判断具体发生了哪个中断事件，从而调用相应的回调函数。

中断事件类型与回调函数的对应关系如下表。这些回调函数都需要一个定时器对象指针htim作为输入参数。表中最后两个事件类型是高级控制定时器的，一般在电机控制中用到；TIM_IT_TRIGGER事件是定时器作为从定时器时，TRGI (触发输入)信号产生有效边沿跳变时的事件。

中断事件类型	事件名称	回调函数
TIM_IT_CC1	CC1通道输入捕获	HAL_TIM_IC_CaptureCallback()
TIM_IT_CC1	CC1通道输出比较	HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback() HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback()
TIM_IT_CC2	CC2通道输入捕获	HAL_TIM_IC_CaptureCallback()
TIM_IT_CC2	CC2通道输出比较	HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback() HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback()
TIM_IT_CC3	CC3通道输入捕获	HAL_TIM_IC_CaptureCallback()
TIM_IT_CC3	CC3通道输出比较	HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback() HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback()
TIM_IT_CC4	CC4通道输入捕获	HAL_TIM_IC_CaptureCallback()
TIM_IT_CC4	CC4通道输出比较	HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback() HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback()
TIM_IT_UPDATE	更新事件(UEV)	HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()
TIM_IT_TRIGGER	TRGI触发事件	HAL_TIM_TriggerCallback()
TIM_IT_BREAK	断路输入事件	HAL_TIMEx_BreakCallback()
TIM_IT_COM	换相事件	HAL_TIMEx_CommutCallback()

对于捕获/比较通道，输入捕获和输出比较使用一个中断事件类型，如TIM_IT_CC1表示通道CC1的输入捕获或输出比较事件，程序会根据捕获/比较模式寄存器TIMx_CCMR1的内容判断到底是输入捕获，还是输出比较。如果是输出比较，会连续调用两个回调函数，这两个函数只是意义不同，根据使用场景实现其中一个即可。