08-CubeMx+Keil+Proteus仿真STM32 - 定时器（一）

本文例子参考《STM32单片机开发实例——基于Proteus虚拟仿真与HAL/LL库》
源代码：https://github.com/LanLinnet/STM32F103R6

项目要求

通过定时器延时（阻塞）的方式，实现LED灯以1秒为周期闪烁。

硬件设计

1. 在第一节的基础上，在Proteus中添加电路如下图所示。
   

2. 要对芯片进行设置，我们首先要了解定时器的工作机制。

   （1）定时器概述
   STM32F103系列单片机最多支持8个定时器，其中STM32F103R6单片机内部仅保留TIM1、TIM2和TIM3这3个定时器，其中TIM1是高级定时器，TIM2和TIM3是普通定时器。

   • 普通定时器除具备基本的定时功能外，还可以为DAC提供一个触发通道，增加了输入捕获、输出比较、单脉冲输出、PWM信号输出、正交编码器等功能。
   • 高级定时器在具备普通定时器的功能的基础上，还增加了可输出带死区控制的互补PWM信号、紧急制动、定时器同步等功能，最多可以输出6路PWM信号。
     在本项目中我们使用普通定时器TIM3。

   
   （2）基本定时功能
   本次项目中我们只需要采用定时器的基本定时功能即可，其本质上就是对周期性脉冲信号进行计数。STM32芯片的时钟源有很多，我们简单列举一下：

   • 低速内部时钟LSI：一般由内部RC振荡器提供，多用于RTC和看门狗电路。
   • 低速外部时钟LSE：一般由外部晶振提供，多用于实时时钟，频率一般为32.768kHz。
   • 高速内部时钟HSI：一般由内部RC振荡器提供，多用于系统时钟和PLL输入，频率一般为8MHz。
   • 高速外部时钟HSE：一般由外部晶振提供（4~16MHz，多为8MHz），用于系统时钟和PLL输入。

   
   （3）计数模式
   定时器有3种不同的计数模式，即向上计数、向下计数和中央对齐（向上/向下）计数模式。这里我们采用向上计数模式，从默认初始值0开始做加法计数，加到预设值之后产生一次溢出事件，自动复位至初始值0，之后开始新一轮的计数。

   下面是STM32F103R6芯片的时钟树，由图可知TIM3的时钟源来自APB1（Advanced Peripheral Bus1, 高级外设总线1），其时钟频率我们后面会在CubeMX中进行配置。
   

   
   （4）时间计算
   定时器有3种不同的计数模式，即向上计数、向下计数和中央对齐（向上/向下）计数模式。这里我们采用向上计数模式，从默认初始值0开始做加法计数，加到预设值之后产生一次溢出事件，自动复位至初始值0，之后开始新一轮的计数。
   APB1 Timer clocks脉冲经过1个TIM3的专属预分频器分频之后就会成为TIM3的计数脉冲，预分频参数保存在一个16位的寄存器TIM3_PSC（简称PSC）中。
   已知APB1 Timer clocks脉冲的频率为\(f_{CLK}\)，TIM3的计数脉冲周期为\(T_{CNT}\)，预分频参数为PSC，那么有公式如下：

   \(T_{CNT}=\frac{PSC+1}{f_{CLK}}\)

   又因为STM32单片机所有的定时器都是16位定时器，其计数范围为0~65535，那么我们就可以根据实际需要设计定时器的预设值，也就是自动重载寄存器TIM3_ARR（简称ARR）的值，此时TIM3采用向上计数的模式，那么其一次溢出时间（或者说一个计数周期）\(T_{OUT}\)就可以由上面的公式变为：

   \(T_{OUT}=T_{CNT}\left(ARR+1\right)=\frac{\left(PSC+1\right)\left(ARR+1\right)}{f_{CLK}}\)

   如果时钟频率采用默认的8MHz，我们不妨设置PSC为7999，那么此时可以计算出TIM3的计数脉冲周期为\(T_{CNT}\)恰好为1ms

   \(T_{CNT}=\frac{PSC+1}{f_{CLK}}=\frac{7999+1}8=1000\mu s=1ms\)

   由于我们设定的LED灯闪烁周期为1秒，那么亮或灭一次状态的持续时间就是500ms，TIM3的计数脉冲周期为1ms，所以一个状态需要计数500次。又因为本项目我们采用的是定时器阻塞的编程方式，我们只需要通过循环不断检测当前计数值是否到了500即可。正因为如此，定时器一次溢出时间就需要大于500ms（不然计数永远达不到500）。我们不妨设置ARR为999，这时套用上面的公式有

   \(T_{OUT}=T_{CNT}\left(ARR+1\right)=1000\times\left(999+1\right)=10^6\mu s=1s\)

   满足条件。

3. 打开CubeMX，建立工程。我们首先将PC0管脚设置为GPIO_Output。
   随后对定时器进行设置：点击“Categories”中的“Timer”列表，选中“TIM3”。在“TIM3 Mode and Configuration”窗口中设置“Clock Source”为Internal Clock，设置“PSC”为7999，“Counter Period”为999。
   
   接下来点击“Clock Configuration”进入时钟配置界面，这里我们采用默认设定的8MHz。
   

4. 点击“Generator Code”生成Keil工程。

软件编写

1. 本次我们需要实现定时器阻塞延时使得LED灯闪烁，需要用到定时器运行和定时器停止函数，其API文档如下：
   HAL_TIM_Base_Start 定时器运行

HAL_TIM_Base_Stop 定时器停止
   
   此外，还需要使用宏定义为定时器设定初始计数值__HAL_TIM_SET_COUNTER和获取定时器当前计数值__HAL_TIM_GET_COUNTER，我们可以在“stm32f1xx_hal_tim.h”文件中找到这两个宏定义。
   

2. 点击“Open Project”在Keil中打开工程，双击“main.c”文件。

3. 我们需要设置一个自定义延时函数，输入数值n，可以以定时器阻塞的方式延时n ms。首先在main.c文件的最上面声明这个函数。

   /* Private user code ---------------------------------------------------------*/
   /* USER CODE BEGIN 0 */
   void My_Delay_ms(uint16_t nms);   //声明自定义函数
   /* USER CODE END 0 */
   

   在/* USER CODE BEGIN 4 */和/* USER CODE END 4 */之间插入该自定义函数，代码如下

   /* USER CODE BEGIN 4 */
   //自定义函数
   void My_Delay_ms(uint16_t nms)
   {
   	uint16_t counter = 0;
   	__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3, 0);  //为定时器TIM3设定初始计数值0
   	HAL_TIM_Base_Start(&htim3);  //运行定时器
   	do
   	{
   		counter = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3);  //当计数值小于nms时，一直循环获取定时器当前计数值
   	}
   	while(counter < nms);
   	HAL_TIM_Base_Stop(&htim3);  //到nms时停止定时器TIM3
   		
   }
   /* USER CODE END 4 */
   

   最后，我们在while循环中添加下面的代码

   /* USER CODE BEGIN WHILE */
   while (1)
   {
     HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_0);   //PC0引脚电平翻转
     My_Delay_ms(500);   //延时500ms
   /* USER CODE END WHILE */
   
   /* USER CODE BEGIN 3 */
   }
   /* USER CODE END 3 */
   

联合调试

1. 点击运行，生成HEX文件。
2. 在Proteus中加载相应HEX文件，点击运行，LED灯以1秒为周期闪烁。