第10章 STM32F4通用定时器简介

第十章 STM32F4通用定时器简介

1. 通用定时器简介

STM32F4 的通用定时器包含一个 16 位或 32 位自动重载计数器（CNT），该计数器由可编程预分频器（PSC）驱动。 STM32F4 的通用定时器可以被用于：测量输入信号的脉冲长度(输入捕获)或者产生输出波形(输出比较和 PWM)等。使用定时器预分频器和 RCC 时钟控制器预分频器，脉冲长度和波形周期可以在几个微秒到几个毫秒间调整。 STM32F4 的每个通用定时器都是完全独立的，没有互相共享的任何资源。

STM32 的通用 TIMx (TIM2~TIM5 和 TIM9~TIM14)定时器功能包括：

16 位/32 位(仅 TIM2 和 TIM5)向上、向下、向上/向下自动装载计数器（TIMx_CNT），注意： TIM9~TIM14 只支持向上（递增）计数方式。
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 1～ 65535 之间的任意数值。
4 个独立通道（TIMx_CH1~4， TIM9~TIM14 最多 2 个通道），这些通道可以用来作为：

输入捕获
输出比较
PWM生成（边缘或中间对齐模式），注意：TIM9-TIM14不支持中间对齐模式
单脉冲模式输出

可使用外部信号（TIMx_ETR）控制定时器和定时器互连（可以用 1 个定时器控制另外一个定时器）的同步电路。
如下事件发生时产生中断/DMA（TIM9~TIM14 不支持 DMA）：

更新：计数器向上溢出/向下溢出，计数器初始化（通过软件或者内部/外部触发）
触发事件(计数器启动、停止、初始化或者由内部/外部触发计数)
输入捕获
输出比较
支持针对定位的增量(正交)编码器和霍尔传感器电路（TIM9~TIM14 不支持）
触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理（TIM9~TIM14 不支持）

2. 定时器常用寄存器

2.1 控制寄存器TIMx_CR1

屏幕截图 2024 09 14 090918

CEN (Counter Enable)：

位位置：0
功能：启用定时器计数器。当该位设置为1时，定时器开始计数。

UDIS (Update Disable)：

位位置：1
功能：禁止更新事件产生。当该位为1时，计数器更新事件被禁用。

URS (Update Request Source)：

位位置：2
功能：更新请求源配置。当该位为1时，仅当计数器达到最大值时才会产生更新事件。

OPM (One Pulse Mode)：

位位置：3
功能：单脉冲模式。当该位为1时，定时器在接收到触发事件后只会计数一次，然后自动停止。

DIR (Direction)：

位位置：4
功能：计数方向选择。0表示向上计数，1表示向下计数。

CMS (Center-Aligned Mode Selection)：

位位置：5-6
功能：选择中心对齐模式。当设置为特定值时，可以实现不同的对齐模式。

ARPE (Auto-Reload Preload Enable)：

位位置：7
功能：自动重载预装使能。当该位为1时，计数器的自动重载值在更新事件发生时会被预加载。

CKD (Clock Division)：

位位置：8-9
功能：时钟分频选择，影响计数器的计数速度。

在使用TIMx_CR1寄存器时，通常需要先配置其它相关寄存器（如预分频器和自动重载值），然后再配置CR1寄存器以启动定时器。以下是一个简单的代码示例：

TIM_HandleTypeDef htimx;

void MX_TIMx_Init(void) {
    // 初始化定时器
    htimx.Instance = TIMx;
    htimx.Init.Prescaler = 8399; // 预分频
    htimx.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数
    htimx.Init.Period = 9999; // 自动重载值
    htimx.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_Base_Init(&htimx);
    // 配置控制寄存器
    TIMx->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动计数器
}

2.2 DMA/中断使能寄存器（TIMx_DIER）

屏幕截图 2024 09 14 091258

UIE (Update Interrupt Enable)：

位位置：0
功能：使能计数器更新中断。当计数器溢出或达到自动重载值时，会产生更新中断。

CC1IE (Capture/Compare 1 Interrupt Enable)：

位位置：1
功能：使能通道1的捕获/比较中断。当通道1触发捕获或比较事件时，会产生中断。

CC2IE (Capture/Compare 2 Interrupt Enable)：

位位置：2
功能：使能通道2的捕获/比较中断。

CC3IE (Capture/Compare 3 Interrupt Enable)：

位位置：3
功能：使能通道3的捕获/比较中断。

CC4IE (Capture/Compare 4 Interrupt Enable)：

位位置：4
功能：使能通道4的捕获/比较中断。

TIE (Trigger Interrupt Enable)：

位位置：6
功能：使能触发中断。当定时器接收到触发信号时，会产生中断。

COMIE (COM Interrupt Enable)：

位位置：7
功能：使能通用中断。当比较模式产生中断时会触发。

UDE (Update DMA Request Enable)：

位位置：8
功能：使能更新事件的DMA请求。

CC1DE (Capture/Compare 1 DMA Request Enable)：

位位置：9
功能：使能通道1的DMA请求。

CC2DE (Capture/Compare 2 DMA Request Enable)：

位位置：10
功能：使能通道2的DMA请求。

CC3DE (Capture/Compare 3 DMA Request Enable)：

位位置：11
功能：使能通道3的DMA请求。

CC4DE (Capture/Compare 4 DMA Request Enable)：

位位置：12
功能：使能通道4的DMA请求。

在配置TIMx_DIER寄存器时，通常需要根据应用需求选择需要使能的中断和DMA请求。以下是一个简单的代码示例，展示如何使能更新中断和通道1的捕获中断：

void MX_TIMx_Init(void) {
    // 初始化定时器
    htimx.Instance = TIMx;
    htimx.Init.Prescaler = 8399; // 预分频
    htimx.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数
    htimx.Init.Period = 9999; // 自动重载值
    HAL_TIM_Base_Init(&htimx);

    // 配置中断使能寄存器
    TIMx->DIER |= (TIM_DIER_UIE | TIM_DIER_CC1IE); // 使能更新中断和通道1中断

    // 启动定时器
    HAL_TIM_Base_Start(&htimx);
}

2.3 预分频寄存器（TIMx_PSC）

该寄存器用设置对时钟进行分频，然后提供给计数器，作为计数器的时钟。

屏幕截图 2024 09 14 091340

这里，定时器的时钟来源有四个：

内部时钟（CK_INT）
外部时钟模式 1：外部输入脚（TIx）
外部时钟模式 2：外部触发输入（ETR），仅适用于 TIM2、 TIM3、 TIM4
内部触发输入（ITRx）：使用 A 定时器作为 B 定时器的预分频器（A 为 B 提供时钟）。

这些时钟，具体选择哪个可以通过 TIMx_SMCR 寄存器的相关位来设置。这里的 CK_INT时钟是从 APB1 倍频的来的，除非 APB1 的时钟分频数设置为 1（一般都不会是 1），否则通用定时器 TIMx 的时钟是 APB1 时钟的 2 倍，当 APB1 的时钟不分频的时候，通用定时器 TIMx的时钟就等于 APB1 的时钟。这里还要注意的就是高级定时器以及 TIM9~TIM11 的时钟不是来自 APB1，而是来自 APB2 的。

使用示例

假设我们希望使用 84 MHz 的时钟来生成 1 秒的延迟。

计算预分频值：

输入时钟：84 MHz
目标计数频率：1 Hz
预分频值（PSC）计算：

屏幕截图 2024 10 02 102530

配置定时器：

在初始化代码中，设置 TIMx_PSC 为 83,999,999。

以下是一个简单的示例，展示如何在 STM32 中配置 TIMx_PSC：

#include "stm32f4xx_hal.h"

void Timer_Config(void)
{
    TIM_HandleTypeDef htim2;
    // 启用 TIM2 时钟
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
    // 配置定时器基本参数
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 83999; // 84MHz / (83999 + 1) = 1kHz
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 1000 - 1; // 1s = 1000ms
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    // 初始化定时器
    HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
    // 启动定时器
    HAL_TIM_Base_Start(&htim2);
}

int main(void)
{
    HAL_Init();
    Timer_Config();
    while (1)
    {
        // 主循环
        if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_UPDATE) != RESET)
        {
            __HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_UPDATE);
            // 每秒执行的代码
        }
    }
}

2.4 计数寄存器（TIMx_CNT）

该寄存器是定时器的计数器，该寄存器存储了当前定时器的计数值。

计数方向：

定时器可以配置为向上计数（从0到设定的自动重载值）或向下计数（从自动重载值降到0）。这一点通过定时器的配置寄存器中的相关位来设置。

计数值范围：

计数值的范围通常取决于定时器的位宽。例如，对于16位定时器，计数范围为0到65535；对于32位定时器，计数范围为0到4294967295。

读写操作：

可以通过读取TIMx_CNT寄存器来获得当前计数值，也可以通过写入该寄存器来重置计数器，或者设定一个新的起始计数值。

以下是一个简单的代码示例，展示如何读取和设置TIMx_CNT寄存器的值：

#include "stm32f4xx_hal.h"

void MX_TIMx_Init(void) {
    // 初始化定时器结构体
    TIM_HandleTypeDef htimx;
    htimx.Instance = TIMx;
    htimx.Init.Prescaler = 8399; // 预分频
    htimx.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数
    htimx.Init.Period = 9999; // 自动重载值
    HAL_TIM_Base_Init(&htimx);
    // 启动定时器
    HAL_TIM_Base_Start(&htimx);
}
void SomeFunction(void) {
    // 读取当前计数值
    uint32_t currentCount = TIMx->CNT;
    // 打印当前计数值（假设有打印函数）
    printf("Current Timer Count: %lu\n", currentCount);
    // 重置计数器
    TIMx->CNT = 0; // 将计数器重置为0
}

2.5 自动重装载寄存器（TIMx_ARR）

接着我们介绍自动重装载寄存器（TIMx_ARR），该寄存器在物理上实际对应着 2 个寄存器。一个是程序员可以直接操作的，另外一个是程序员看不到的，这个看不到的寄存器在《STM32F4xx 中文参考手册》里面被叫做影子寄存器。事实上真正起作用的是影子寄存器。

根据 TIMx_CR1 寄存器中 APRE 位的设置： APRE=0 时，预装载寄存器的内容可以随时传送到影子寄存器，此时 2 者是连通的；而 APRE=1 时，在每一次更新事件（UEV）时，才把预装载寄存器（ARR）的内容传送到影子寄存器。

屏幕截图 2024 09 14 091622

功能：

TIMx_ARR定义了定时器的周期。当计数器（TIMx_CNT）达到此值时，会触发更新事件（Update Event），并根据配置可以产生中断或其他动作。

计数模式：

计数模式可以设置为向上计数、向下计数或中心对称计数，这些模式将影响计数过程中如何处理ARR值。

配置：

可以通过定时器的初始化函数来设置ARR的值。通常在配置定时器时一起设置。

范围限制：

对于16位定时器，ARR的有效值范围为0到65535；对于32位定时器，范围为0到4294967295。

以下是一个简单的代码示例，展示如何设置和读取TIMx_ARR寄存器的值：

#include "stm32f4xx_hal.h"

void MX_TIMx_Init(void) {
    // 初始化定时器结构体
    TIM_HandleTypeDef htimx;
    htimx.Instance = TIMx; // 定时器实例
    htimx.Init.Prescaler = 8399; // 预分频
    htimx.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数
    htimx.Init.Period = 9999; // 设置自动重载值
    HAL_TIM_Base_Init(&htimx);
    // 启动定时器
    HAL_TIM_Base_Start(&htimx);
}

void SomeFunction(void) 
{
    // 获取当前自动重载寄存器的值
    uint32_t autoReloadValue = TIMx->ARR;
    // 打印自动重载值（假设有打印函数）
    printf("Auto Reload Value: %lu\n", autoReloadValue);
    // 修改自动重载值
    TIMx->ARR = 4999; // 将自动重载值修改为4999
}

2.6 状态寄存器（TIMx_SR）

该寄存器用来标记当前与定时器相关的各种事件/中断是否发生。

屏幕截图 2024 09 14 091744

更新标志（UIF - Update Interrupt Flag）：

功能：指示定时器溢出或更新事件。
操作：当计数器达到预设值并发生溢出时，该标志被置位（设为1）。用户可以通过软件清除该标志。
用途：常用于定时任务的调度。

捕获标志（CCxIF - Capture/Compare Interrupt Flag）：

功能：用于指示输入捕获或输出比较事件。
操作：在发生输入捕获或输出比较时，相应的CCxIF标志位会被置位。
用途：可用于精确测量信号的时间或者生成精确的定时输出。

比较溢出标志（CCxOF - Capture/Compare Overcapture Flag）：

功能：指示在捕获模式下，新的捕获事件发生时，之前的捕获数据未能被读取而导致覆盖。
操作：当新的捕获事件发生而未读取之前的事件时，该标志会被置位。
用途：用于避免数据丢失，程序员需要及时读取捕获数据以清除该标志。

以下是一个简单的STM32定时器使用的示例代码：

// 假设TIM2为定时器
void TIM2_IRQHandler(void) {
    // 检查更新标志
    if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) {
        // 清除标志
        TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF; // 或者可以通过执行相关操作来清除
        // 执行定时器溢出处理
        handle_timer_overflow();
    }
    // 检查捕获标志
    if (TIM2->SR & TIM_SR_CC1IF) {
        // 处理捕获事件
        uint32_t captured_value = TIM2->CCR1;   
        // 清除捕获标志
        TIM2->SR &= ~TIM_SR_CC1IF;
        handle_capture_event(captured_value);
    }
}

3. 定时器基本配置步骤

这一章，我们将使用定时器产生中断，然后在中断服务函数里面翻转 DS1 上的电平，来指示定时器中断的产生。接下来我们以通用定时器 TIM3 为实例，来说明要经过哪些步骤，才能达到这个要求，并产生中断。这里我们就对每个步骤通过库函数的实现方式来描述。

3.1 TIM3时钟使能

HAL 中定时器使能是通过宏定义标识符来实现对相关寄存器操作的，方法如下：

__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); // 使能 TIM3 时钟

3.2 初始化定时器参数

在 HAL 库中，定时器的初始化参数是通过定时器初始化函数 HAL_TIM_Base_Init 实现的：

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Init(TIM_HandleTypeDef *htim);

该函数只有一个入口参数，就是 TIM_HandleTypeDef 类型结构体指针，结构体类型为下面我们看看这个结构体的定义：

typedef struct
{
    TIM_TypeDef              *Instance;
    TIM_Base_InitTypeDef      Init;
    HAL_TIM_ActiveChannel     Channel;
    DMA_HandleTypeDef         *hdma[7];
    HAL_LockTypeDef           Lock;
    __IO HAL_TIM_StateTypeDef State;
}TIM_HandleTypeDef;

第一个参数 Instance 是寄存器基地址。和串口，看门狗等外设一样，一般外设的初始化结构体定义的第一个成员变量都是寄存器基地址。这在HAL中都定义好了，比如要初始化串口1，那么 Instance 的值设置为 TIM1 即可。

第二个参数 Init 为真正的初始化结构体 TIM_Base_InitTypeDef 类型。该结构体定义如下：

typedef struct
{
    uint32_t Prescaler;     // 预分频系数
    uint32_t CounterMode;   // 计数方式
    uint32_t Period;        // 自动装载值 ARR
    uint32_t ClockDivision; // 时钟分频因子
    uint32_t RepetitionCounter;
} TIM_Base_InitTypeDef;

该初始化结构体中，参数 Prescaler 是用来设置分频系数的，刚才上面有讲解。参数CounterMode 是用来设置计数方式，可以设置为向上计数，向下计数方式还有中央对齐计数方式，比较常用的是向上计数模式 TIM_CounterMode_Up 和向下计数模式 TIM_CounterMode_Down。参数 Period 是设置自动重载计数周期值。参数 ClockDivision 是用来设置时钟分频因子，也就是定时器时钟频率 CK_INT 与数字滤波器所使用的采样时钟之间的分频比。参数 RepetitionCounter 用来设置重复计数器寄存器的值，用在高级定时器中。

第三个参数 Channel 用来设置活跃通道。前面我们讲解过，每个定时器最多有四个通道可以用来做输出比较，输入捕获等功能之用。这里的 Channel 就是用来设置活跃通道的，取值范围为： HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1~ HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_4。

第四个 hdma 是定时器的 DMA 功能时用到。

第五个参数 Lock 和 State，是状态过程标识符，是 HAL 库用来记录和标志定时器处理过程。定时器初始化范例如下：

TIM_HandleTypeDef TIM3_Handler;    // 定时器句柄
TIM3_Handler.Instance = TIM3;      // 通用定时器 3
TIM3_Handler.Init.Prescaler = 8999;// 分频系数
TIM3_Handler.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数器
TIM3_Handler.Init.Period = 4999;   // 自动装载值
TIM3_Handler.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; // 时钟分频因子
HAL_TIM_Base_Init(&TIM3_Handler);  // 初始化

3.3 使能定时器更新中断，使能定时器

HAL 库中，使能定时器更新中断和使能定时器两个操作可以在函数HAL_TIM_Base_Start_IT()中一次完成的，该函数声明如下：

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Start_IT(TIM_HandleTypeDef *htim);

该函数非常好理解，只有一个入口参数。调用该定时器之后，会首先调用__HAL_TIM_ENABLE_IT 宏定义使能更新中断，然后调用宏定义__HAL_TIM_ENABLE 使能相应的定时器。这里我们分别列出单独使能/关闭定时器中断和使能/关闭定时器方法：

__HAL_TIM_ENABLE_IT(htim, TIM_IT_UPDATE);  // 使能句柄指定的定时器更新中断
__HAL_TIM_DISABLE_IT (htim, TIM_IT_UPDATE);// 关闭句柄指定的定时器更新中断
__HAL_TIM_ENABLE(htim);  // 使能句柄 htim 指定的定时器
__HAL_TIM_DISABLE(htim); // 关闭句柄 htim 指定的定时器

3.4 TIM3中断优先级设置

在定时器中断使能之后，因为要产生中断，必不可少的要设置 NVIC 相关寄存器，设置中断优先级。之前多次讲解到中断优先级的设置，这里就不重复讲解。

和串口等其他外设一样， HAL 库为定时器初始化定义了回调函数 HAL_TIM_Base_MspInit。一般情况下，与 MCU 有关的时钟使能，以及中断优先级配置我们都会放在该回调函数内部。函数声明如下：

void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim);

对于回调函数，这里我们就不做过多讲解，大家只需要重写这个函数即可。

3.5 编写中断服务函数

在最后，还是要编写定时器中断服务函数，通过该函数来处理定时器产生的相关中断。通常情况下，在中断产生后，通过状态寄存器的值来判断此次产生的中断属于什么类型。然后执行相关的操作，我们这里使用的是更新（溢出）中断，所以在状态寄存器 SR 的最低位。在处理完中断之后应该向 TIM3_SR 的最低位写 0，来清除该中断标志。

跟串口一样，对于定时器中断， HAL 库同样为我们封装了处理过程。这里我们以定时器 3的更新中断为例来讲解。

首先，中断服务函数是不变的，定时器 3 的中断服务函数为：

TIM3_IRQHandler();

一般情况下我们是在中断服务函数内部编写中断控制逻辑。但是 HAL 库为我们定义了新的定时器中断共用处理函数 HAL_TIM_IRQHandler，在每个定时器的中断服务函数内部，我们会调用该函数。该函数声明如下：

void HAL_TIM_IRQHandler(TIM_HandleTypeDef *htim);

而函数 HAL_TIM_IRQHandler 内部，会对相应的中断标志位进行详细判断，判断确定中断来源后，会自动清掉该中断标志位，同时调用不同类型中断的回调函数。所以我们的中断控制逻辑只用编写在中断回调函数中，并且中断回调函数中不需要清中断标志位。

比如定时器更新中断回调函数为：

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim);

跟串口中断回调函数一样，我们只需要重写该函数即可。对于其他类型中断， HAL 库同样提供了几个不同的回调函数，这里我们列出常用的几个回调函数：

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim);  // 更新中断
void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim);// 输出比较
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim);     // 输入捕获
void HAL_TIM_TriggerCallback(TIM_HandleTypeDef *htim);        // 触发中断

通过以上几个步骤，我们就可以达到我们的目的了，使用通用定时器的更新中断，来控制DS1 的亮灭。

2024.10.2 第一次修订，后期不再维护

posted @ 2024-10-02 10:41 hazy1k 阅读(17) 评论(0) 编辑收藏举报

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