MCU开发学习记录9 - 通用定时器学习与实践(HAL库) -RGBLED控制、定时器输入捕获、主从定时器移相控制-STM32CubeMX

本文将介绍通用定时器的概念、相关函数以及STM32CubeMX生成定时器的配置函数以及对生成定时器的配置函数进行分析（包括结构体配置、相关寄存器配置）。
本文以TIM2/TIM5、TIM3/TIM4为基础介绍通用定时器（包含通用定时器全部功能），其余的通用定时器都是功能阉割版，可自行查阅芯片的reference manual和HAL库手册。

最后针对于通用定时器实践：使用TIM2输出PWM控制全彩LED灯；输入捕获MCU开发学习记录8 - 基本定时器学习与实践(HAL库)的LED灯高电平持续时间；主从定时器移相控制（利用主定时器输出一路PWM同时作为触发信号，从定时器输出移相PWM波）。

0. F4系列定时器分类

最大接口时钟（Max interface clock (MHz)）
1. 定时器与系统内核（如MCU）之间的通信接口（如APB总线）支持的最高时钟频率。
2. 它决定了定时器寄存器配置和状态读取的速度上限。例如，如果接口时钟为84 MHz，则对定时器寄存器的读写操作需基于该频率进行，不能超过此速率。
最大定时器时钟（Max timer clock (MHz)）
1. 定时器内部计数器（Counter）实际运行时的最高时钟频率。
2. 它决定了定时器的计数速度，直接影响定时器的计时精度和输出信号的频率上限。例如，168 MHz的定时器时钟意味着计数器每秒最多递增168,000,000次。

1. 什么是通用定时器？

1.1 通用定时器概念

1.1.1 通用定时器功能说明

STM32F4系列的通用定时器为TIM2/TIM5(32位定时器，即计数值CNT有32位)、TIM3/TIM4(16位定时器)、TIM9-TIM14(16位定时器，功能阉割版)。

TIM2/TIM5、TIM3/TIM4功能相同（只有计算器位数不同）：
· 递增、递减和递增/递减（双向）的计数模式
· 4个独立通道：输入捕获；输出比较；PWM 生成（边沿和中心对齐模式）、单脉冲输出
· 多定时器主从互连以及外部信号控制定时器
· 如下事件时生成中断/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
· 增量编码器与霍尔传感器支持
· 外部时钟模式允许定时器使用外部信号作为时钟源，而不是内部的APB时钟。这有两种模式：外部引脚输入（通过定时器的 外部触发输入引脚（TIMx_ETR） 接收外部脉冲信号。即外部脉冲直接驱动定时器的计数器递增。）和外部触发输入（来自其他外设的触发信号（如另一个定时器的 TRGO信号、ADC的转换完成信号等））。
TIM9/TIM12：
· 只有递增计数模式
· 2个独立通道：输入捕获；输出比较；PWM 生成（边沿和中心对齐模式）、单脉冲输出
· 多定时器主从互连以及外部信号控制定时器
· 如下事件时生成中断：
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. 输入捕获
3. 输出比较
TIM10、TIM11、TIM13、TIM13：
· 只有递增计数模式
· 1个独立通道：输入捕获；输出比较；PWM 生成（边沿和中心对齐模式）、单脉冲输出
· 如下事件时生成中断：
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. 输入捕获
3. 输出比较

1.1.2 通用定时器框图

下图为正点原子开发指南里面的通用定时器框图，如下所示。

时钟来源选择：
· 内部时钟 (CK_INT)

· 外部时钟模式 1 ：外部输入引脚 (TIx)

· 外部时钟模式 2 ：外部触发输入 (ETR) ，仅适用于 TIM2 、 TIM3 和 TIM4 。

· 内部触发输入 (ITRx)（定时器主从模式）：使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器，例如可以将定时器配置为定时器 2 的预分频器。
TIM控制器：
复位、使能、计数、TRGO（通用触发输出）定时器或DAC/ADC、编码器接口。
时基单元：
· 计数模式：递增、递减和递增/递减（双向/中心对齐模式）
· 预分频器寄存器 (TIMx_PSC) - 具有影子寄存器
· 计数器寄存器 (TIMx_CNT)
· 自动重载寄存器 (TIMx_ARR)- 具有影子寄存器
输入捕获通道：
配置TIMx_CCER（CCnP/CCnNP）使能TIMx_CHn输入通道，生成TInF（Timer Input n Filter）信号，通过边沿检测器生成对应边沿信号TInFPx（Timer Input n Filtered and Polarity-Processed）经过预分频器生成ICnPS（Input Capture n Prescaler）触发对应输入捕获事件。
输入捕获/输出比较通道共用部分：
· 输入捕获部分：
描述了输入捕获事件相关寄存器配置，以及读CCRx的计数值。
· 输出比较部分：
描述了输出捕获事件相关寄存器配置，以及写CCRx的计数值。
输出比较通道：
本部分主要两个功能：一是PWM输出；二是做TRGO的触发信号。

1.2 通用定时器-时钟计数模式（三种）

TIMx_CR1.ARPE(Auto-reload preload enable) ：自动重载预装载使能
TIMx_CR1.CMS(Center-aligned mode selection)：中心对齐模式选择
TIMx_CR1.DIR(Direction)：方向（递增、递减）
TIMx_CR1.URS((Update request source)：中断或 DMA 请求的请求源选择
TIMx_CR1.UDIS(Update disable)：使能/禁止 UEV 事件
TIMx_CR1.CEN(Counter enable)：计数器使能

1.2.1 通用定时器-递增计数模式

1.2.2 通用定时器-递减计数模式

1.2.3 通用定时器-中心对齐模式（递增/递减计数）

CMS=11

CMS=01（counter underflow）CMS=10（counter overflow）

1.3 通用定时器时钟源

1.3.1 通用定时器时钟源1-内部时钟源 (CK_INT)

SMS = 000（即禁止从模式控制器），CEN 位、DIR 位（TIMx_CR1 寄存器中）和UG位（TIMx_EGR 寄存器中）为实际控制位。

1.3.2 通用定时器时钟源2-外部时钟模式 1：外部输入引脚 (TIx)

        SMS = 111，即计数器可在选定的输入信号上出现上升沿或下降沿时计数。

芯片参考手册中举例：要使递增计数器在 TI2 输入出现上升沿时计数，请执行以下步骤：

1.3.3 通用定时器时钟源3-外部时钟模式 2：外部触发输入 (ETR)

芯片参考手册中举例：要使递增计数器在 ETR 每出现 2 个上升沿时计数，请执行以下步骤：

1.3.4 通用定时器时钟源4-内部触发输入 (ITRx)

参考本文的1.6.2 定时器同步

1.3 通用定时器-输入捕获/输出比较通道

1.3.1 输入捕获通道

下图为正点原子开发指南注释的输入捕获通道图。

工作流程：
外部信号->TIx引脚->TIxF信号->TIxFPx信号(边沿极性信号)->ICx(输入捕获)->ICxPS

1.3.2 共用通道- 输入捕获部分

下图为正点原子开发指南注释的共用通道- 输入捕获部分图。

1.3.3 共用通道- 输出比较部分

下图为正点原子开发指南注释的共用通道- 输出比较部分图。

1.3.4 输出比较通道

下图为正点原子开发指南注释的输出比较通道图。

1.4 通用定时器输入模式

1.4.1 输入捕获模式

1. 输入捕获模式说明：

当检测到外部信号（如TI1引脚）的指定边沿（上升沿/下降沿）时，将当前计数器值锁存到捕获寄存器（TIMx_CCRx）中。
通过中断或DMA通知系统读取捕获值，用于计算信号频率、脉宽等参数。

2. 关键寄存器：

输入通道（TI1/TI2等）：外部信号输入引脚。
输入滤波（ICxF）：消除信号抖动。
边沿检测（CCxP/CCxNP）：选择触发边沿（上升沿/下降沿）。
捕获寄存器（TIMx_CCRx）：存储捕获时的计数器值。
中断/DMA标志（CCxIF/CCxOF）：通知系统捕获完成。

3. 具体流程：

选择有效输入通道（映射TI1到CCR1）
· TIMx_CCMR1.CC1S[1:0] - 01（输入模式）
· （输入模式，即TIMx_CCMR1.CC1S[1:0]不等于0）使TIMx_CCR1变为只读模式
配置输入滤波（消除信号抖动）
· TIMx_CR1.CKD[1:0] - 设置 tDTS数字滤波器采样时钟
· TIMx_CCMR1.IC1F[3:0] - 设置可定义 TI1 输入的采样频率和适用于 TI1 的数字滤波器带宽。数字滤波器由事件计数器组成，每 N 个事件才视为一个有效边沿：
选择有效触发边沿
· TIMx_CCER.CCxP - 0 上升沿、1 下降沿
· TIMx_CCER.CCxNP - 双边沿触发
配置输入预分频器（禁止预分频）
· TIMx_CCMR1.IC1PS[1:0] - 设置00，禁止预分频器，即每次检测到有效边沿均触发捕获。
使能捕获功能
· TIMx_CCER.CC1E - 1：允许计算器的值捕获到捕获寄存器中。
使能中断/DMA请求
· TIMx_DIER.CC1IE - 1：使能捕获完成中断。
· TIMx_DIER.CC1DE - 1：使能DMA请求（需配合DMA控制器初始化）。

4. 捕获事件处理流程：

跳变沿检测
TI1输入信号经过滤波和边沿检测后，确认有效上升沿。
计数器值锁存
· 计数器值立即写入TIMx_CCR1寄存器。
标志位更新
· CC1IF标志（TIMx_SR寄存器）置1，表示捕获完成。
· 若中断已使能（CC1IE=1），触发中断服务程序（ISR）。
· 若DMA已使能（CC1DE=1），触发DMA传输。
重复捕获处理
· 未及时读取TIMx_CCR1或清除CC1IF标志，下次捕获时CC1OF标志（溢出标志）置1，提示数据覆盖风险。
标志位清除
· TIMx_SR.CC1IF：软件写0 或读取TIMx_CCR1寄存器。
· TIMx_SR.CC1OF：软件写0。

注：TIMx_EGR.CC1G置1，可生成IC中断和DMA请求。

1.4.2 PWM输入模式

1. PWM输入模式说明：

        一个外部引脚(TI1)即可同时捕获PWM信号的周期（Period）和占空比（Duty Cycle）。
        IC1通道：捕获PWM信号的上升沿，记录周期值（TIMx_CCR1）。
        IC2通道：捕获PWM信号的下降沿，记录占空比（TIMx_CCR2）。
        计数器复位：每次捕获上升沿时，触发从模式控制器复位计数器(TIMx_CNT)，确保周期测量准确性。

2. 具体流程：

配置IC1通道（捕获上升沿，测量周期）
· TIMx_CCMR1.CC1S[1:0] - 01，将IC1映射到 TI1输入（即PWM信号输入引脚）。
· TIMx_CCER.CC1P/CC1NP - 00，选择上升沿触发。
配置IC2通道（捕获下降沿，测量占空比）
· TIMx_CCMR1.CC2S[1:0] - 10，将IC2也映射到 TI1输入（同一引脚）。
· TIMx_CCER.CC1P/CC1NP - 10，选择上升沿触发。
配置从模式控制器（复位模式）
· TIMx_SMCR.TS[2:0] - 101，选择触发源为 TI1FP1（即IC1的滤波后信号）。
· TIMx_SMCR.SMS[2:0] -100，使能从模式为复位模式（上升沿复位计数器）。
使能捕获功能
· TIMx_CCER.CC1E/CC2E都写入 1，允许捕获到TIMx_CCR1和TIMx_CCR2。

1.5 通用定时器输出模式

1.5.1 强制输出模式

1. 强制输出模式说明：

强制输出模式允许软件直接控制定时器的输出比较信号（OCxREF和OCx引脚电平），绕过计数器与比较寄存器的比较逻辑，强制设定输出状态。强制输出时，计数器与影子寄存器的比较仍正常执行，可触发中断或DMA请求。

2. 具体流程：

配置通道为输出模式
· TIMx_CCMRx.CCXS[1:0] - 00，选择通道为输出模式（默认模式）。
强制设置输出电平
· TIMx_CCMRx.OCxM[2:0] - 100:强制OCxREF为无效电平；101:强制OCxREF有效电平。
配置输出极性（CCxP位）
· TIMx_CCER.CCxP - 0:高电平有效；1:低电平有效
中断/DMA触发逻辑：
若计数器与比较寄存器匹配，CCxIF标志（TIMx_SR） 置1，触发中断或DMA请求。

1.5.2 输出比较模式

1. 输出比较模式说明：

输出比较模式（特别是翻转模式）允许定时器在计数器（TIMx_CNT）与捕获/比较寄存器（TIMx_CCRx）匹配时，自动翻转输出引脚（OCx）的电平。

2. 关键寄存器：

输出模式（OCxM）：定义匹配时的输出行为（如翻转、置高、置低）。
输出极性（CCxP）：控制输出引脚是否反相。
预装载寄存器（OCxPE）：决定是否启用影子寄存器（缓冲写入的TIMx_CCRx值）。

3. 具体流程：

选择计数器时钟（设置PSC）：
写入TIMx_ARR和TIMx_CCRx：
使能中断/DMA请求：
· CCxIE位（中断使能）：置1时，匹配事件触发中断。
· CCxDE位（DMA使能）：置1时，匹配事件触发DMA请求。
选择输出模式（翻转模式）：
· OCxM=011：选择翻转模式（匹配时翻转输出电平）。
· OCxPE=0：禁用预装载寄存器（直接写入TIMx_CCRx生效）。
· CCxP=0：输出极性为不反相（OCxREF与OCx引脚电平一致）。
· CCxE=1：使能输出引脚。
启动计数器：
TIMx_CR1.CEN 置1，启动计数器。

1.5.3 PWM输出模式

1. PWM输出模式说明：

PWM模式通过定时器的 自动重载寄存器（TIMx_ARR） 和 捕获/比较寄存器（TIMx_CCRx） 生成频率和占空比可调的脉冲信号。

2. 具体流程：

选择PWM模式（模式1或模式2）
向 TIMx_CCMRx 寄存器的 OCxM[2:0]位 写入：
· PWM模式1：110（有效电平在计数器 < CCRx 时保持，否则无效）。
· PWM模式2：111（有效电平在计数器 > CCRx 时保持，否则无效）。
使能预装载寄存器
· 使能捕获/比较预装载（TIMx_CCRx）：TIMx_CCMRx.OCxPE = 1。
· 使能自动重载预装载（TIMx_ARR）：TIMx_CR1.ARPE = 1。
初始化寄存器（生成更新事件）
· TIMx_EGR 寄存器的 UG位 写入 1，手动生成更新事件。
配置输出极性
· TIMx_CCER 寄存器的 CCxP位写入：0:高电平有效；1:低电平有效
使能输出引脚
· TIMx_CCER 寄存器的 CCxE位 写入 1，使能OCx引脚输出。
设置自动重载值（ARR）和比较值（CCRx）
· TIMx_ARR、 TIMx_CCRx
启动计数器
· TIMx_CR1.CEN写入 1，启动计数器。
PWM信号生成逻辑
· PWM.CMS 中心对齐模式选择
· PWM.DIR 计算器方向（PWM.CMS[1:0] - 00）

CCIF是捕获/比较中断标志位

3. 注意：

1.6 定时器的外部触发同步

TIMx 定时器以下列模式与外部触发实现同步：复位模式、门控模式和触发模式。

1.6.1 从模式-复位模式：SMS=100

复位模式（Reset Mode）是STM32定时器的一种从模式，通过外部信号（如TI1上升沿）复位计数器（TIMx_CNT），并可选生成更新事件（UEV）以刷新预装载寄存器。

外部触发复位：当检测到指定触发信号（如TI1上升沿）时，立即复位计数器（TIMx_CNT=0）。
更新事件（UEV）生成：若 TIMx_CR1.URS=0，复位时会触发UEV事件，更新预装载寄存器（TIMx_ARR和TIMx_CCRx）。
中断/DMA触发：复位事件可触发中断或DMA请求，用于同步其他操作。

1.6.2 从模式-门控模式：SMS=101

门控模式是一种通过 外部输入信号电平（如TI1）控制计数器启停 的定时器操作模式，适用于需要根据外部设备状态动态控制计数的场景（如启动/暂停测量、外部同步控制等）。

电平触发启停：根据外部信号（如TI1）的电平高低，控制计数器的运行（低电平启动计数，高电平停止计数）。
中断触发：计数器启动或停止时，TIF 标志（TIMx_SR 寄存器）置1，可触发中断或DMA请求。
同步延迟处理：输入信号（TI1）需经过同步电路，避免亚稳态影响计数精度。

1.6.3 从模式-触发模式：SMS=110

外部触发启动计数器：当检测到指定输入信号（例如TI2上升沿）时，启动计数器根据内部时钟开始递增。
中断标志置位：触发事件发生时，TIF 标志（TIMx_SR 寄存器）置1，可用于中断或DMA通知。
同步延迟处理：外部输入信号（TI2）需经过同步电路，导致触发信号与实际计数器启动之间存在1-2个时钟周期的延迟。

1.6.4 从模式-外部时钟模式 2 +触发模式：SMS=110

外部时钟模式2（ETR作为时钟源） 和 触发模式（TI11上升沿启动计数器），实现由外部触发信号控制计数器在外部时钟驱动下精准计数。

外部时钟源：ETR引脚作为计数器的时钟源（每个上升沿触发计数）。
触发启动：TI11的上升沿作为触发信号，启动计数器（CEN=1）。
同步延迟处理：ETR信号需通过同步电路，导致计数器实际递增延迟1-2个时钟周期。

1.7 定时器同步

定时器同步 允许通过主从模式配置，将多个定时器级联或协同工作，实现复杂的时序控制、频率扩展及多外设同步。

通用定时器内部连接表和定时器同步内部结构连接图

1.7.1 一个定时器用作另一个定时器的预分频器（外部时钟模式）

TIM1配置为主定时器、TIM2配置为从定时器，从而实现 TIM1作为TIM2的预分频器。即利用 TIM1的更新事件（UEV） 作为 TIM2的外部时钟源，使TIM2的计数速率由TIM1的溢出频率控制。

TIM1：作为预分频器，通过ARR值设定触发周期。
TIM2：在TIM1的每次溢出时递增，扩展整体计数范围或降低时钟频率。

配置流程：

配置TIM1为主定时器
· 设置主模式（MMS=010）：TIM1_CR2 寄存器的 MMS[2:0]位 写入 010，选择 更新事件（UEV） 作为触发输出（TRGO）。
· 设定TIM1的周期（ARR值）
· 使能TIM1计数器：TIM1_CR1 寄存器的 CEN位 写入 1，启动TIM1计数。
配置TIM2为从定时器
· 选择触发源（TS=000）：TIM2_SMCR 寄存器的 TS[2:0]位 写入 000，选择 内部触发源0（ITR0），即TIM1的TRGO信号。
· 设置外部时钟模式（SMS=111）：TIM2_SMCR 寄存器的 SMS[2:0]位 写入 111，选择 外部时钟模式1。
· 使能TIM2计数器：TIM2_CR1 寄存器的 CEN位 写入 1，启动TIM2计数。

1.7.2 使一个定时器使能另一个定时器（门控模式，OC1REF为触发源）

1. 功能介绍：

通过 定时器1的OC1REF信号 作为门控信号，控制 定时器2的计数启停。

OC1REF高电平：定时器2根据分频后的时钟计数。
OC1REF低电平：定时器2停止计数，保持当前值。
应用场景：测量外部信号高电平持续时间、节能模式下的间歇计数。

2. 配置流程：

1. 定时器1配置（主模式，生成OC1REF波形）

主模式设置：TIM1_CR2.MMS[2:0]=100。将定时器1的 OC1REF信号 作为触发输出（TRGO），用于控制定时器2。
输出比较配置（PWM模式）：TIM1_CCMR1.OC1M[2:0]=110（PWM模式1）。
TIM1_CCR1=0x80：占空比50%（高电平占128个时钟）。
TIM1_ARR=0xFF：定义PWM周期为256个时钟。
时钟分频：TIM1_PSC=2（3分频，实际时钟频率为 f_CK_CNT=f_CK_INT/3）。
启动定时器1：TIM1_CR1.CEN=1。

2. 定时器2配置（从模式，门控控制）

触发源选择：TIM2_SMCR.TS[2:0]=000（选择 ITR0，即TIM1的TRGO信号）。
门控模式使能：TIM2_SMCR.SMS[2:0]=101。定时器2的计数器仅在OC1REF高电平时递增。
时钟分频与启动
- 预分频器：TIM2_PSC=2（3分频）。
- 启动定时器2：TIM2_CR1.CEN=1（实际计数受OC1REF电平控制）。

3. 初始化注意事项

计数器未初始化：
- 若未复位，定时器2从当前值开始计数（示例中从0x3045开始）。
强制复位方法：
- 写入 TIMx_EGR.UG=1，复位计数器（如启动前写入 TIM2_CNT=0）。

1.7.3 使一个定时器使能另一个定时器（门控模式，CNT_EN为触发源）

1. 功能介绍：

通过 定时器1的使能信号（CEN） 控制 定时器2的启停，实现主从定时器的同步。

主定时器1启动（CEN=1）：定时器2开始计数。
主定时器1停止（CEN=0）：定时器2停止计数。
应用场景：多设备同步启停、精确控制计数窗口。

2. 配置流程：

1.7.4 使用一个定时器启动另一个定时器（触发模式）

        利用定时器1的更新事件（UEV）作为触发信号，自动启动定时器2的计数器（CEN=1），并控制其计数周期。
        ◦ 主模式（TIM1）：生成更新事件作为触发信号（TRGO）。
        ◦ 从模式（TIM2）：配置为触发模式（Trigger Mode），收到触发信号后自动启动计数。
        和1.7.3相比，需要更改的是TIM2_SMCR 寄存器的 SMS[2:0]位 写入 110，选择触发模式。