STM32通用/高级定时器理论结构体讲解

前言

上一篇说了基本定时器。本篇讲讲通用定时器。
通用定时器有TIM2/3/4/5。功能就复杂多了：
除了具备基本的定时外，
主要用于测量脉冲的频率和脉冲的宽度以及输出PWM。这些下面的程序都会有。
还具备编码器接口。每个通用定时器都是相互独立的。

高级控制定时器(TIM1 和 TIM8)和通用定时器在基本定时器的基础上引入了外部引脚，可以实现输入捕获和输出比较功能。高级控制定时器比通用定时器增加了可编程死区互补输出、重复计数器、带刹车(断路)功能，这些功能都是针对工业电机控制方面。这几个功能在本书不做详细的介绍，主要介绍常用的输入捕获和输出比较功能。
高级控制定时器时基单元包含一个 16 位自动重装载寄存器 ARR，一个 16 位的计数器CNT，可向上/下计数，一个 16 位可编程预分频器 PSC，预分频器时钟源有多种可选，有内部的时钟、外部时钟。还有一个 8 位的重复计数器 RCR，这样最高可实现 40 位的可编程定时。

1.通用定时器结构

1.1 时钟源

有四个时钟源可选：
 内部时钟源 CK_INT
 外部时钟模式 1：外部输入捕获引脚 TIx（x=1,2,3,4），来自外部输入捕获引脚上的边沿信号，计数器可以在选定的输入端（引脚1：TI1FP1或TIF_ED，引脚2：TI2FP2）每个上升沿或下降沿计数。
 外部时钟模式 2：外部触发输入 ETR，计数器能在外部输入ETR的每个上升沿或下降沿计数。
 内部触发输入(ITRx)，来自芯片内部其他定时器的出发输入，使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器。

1.2 控制器

控制器部分包括触发控制器、从模式控制器以及编码器接口。触发控制器用来针对片内外设输出触发信号，比如为其它定时器提供时钟和触发 DAC/ADC 转换。
编码器接口专门针对编码器计数而设计。从模式控制器可以控制计数器复位、启动，递增/递减、计数。有关控制器部分只需熟练阅读寄存器描述即可。

1.3 时基单元

时基单元功能包括四个寄存器，分别是计数器寄存器(CNT)、预分频器寄存器(PSC)、自动重载寄存器(ARR)和重复计数器寄存器(RCR)。其中重复计数器 RCR
是高级定时器独有，通用和基本定时器没有。
前面三个寄存器都是 16 位有效，TIMx_RCR寄存器是 8 位有效。

1.3.1 计数器 CNT 及其计数模式

计数器有三种计数模式，分别为递增计数模式、递减计数模式和递增/递减(中心对齐)计数模式。

1.递增计数
这和基本定时器功能一样。如果禁用重复计数器，在计数器生成上溢事件就马上生成更新事件(UEV)；如果使能重复计数器，每生成一次上溢事件重复计数器内容就减 1，直到重复计数器内容为 0 时才会生成更新事件。

2.递减计数
计数器从自动重载寄存器 ARR 值开始计数，每来一个 CK_CNT 脉冲计数器就减 1，直到计数器值为 0，然后计数器又从自动重载寄存器 ARR 值开始递减计数并生成计数器下溢事件，计数器总是如此循环计数。
如果禁用重复计数器，在计数器生成下溢事件就马上生成更新事件；如果使能重复计数器，每生成一次下溢事件重复计数器内容就减 1，直到重复计数器内容为 0 时才会生成更新事件。

3.中心对齐模式下，计数器从 0 开始递增计数，直到计数值等于(ARR-1)值生成计数器上溢事件，然后从 ARR 值开始递减计数直到 1 生成计数器下溢事件。然后又从 0 开始计数，如此循环。每次发生计数器上溢和下溢事件都会生成更新事件。

1.3.2 自动重载寄存器 ARR

自动重载寄存器 ARR 用来存放与计数器 CNT 比较的值，如果两个值相等就递减重复
计数器。可以通过 TIMx_CR1 寄存器的 ARPE 位控制自动重载影子寄存器功能，如果ARPE 位置 1，自动重载影子寄存器有效，只有在事件更新时才把 TIMx_ARR 值赋给影子寄存器。如果 ARPE 位为 0，则修改 TIMx_ARR 值马上有效。

1.3.3 重复计数器 RCR（高级)

在基本/通用定时器发生上/下溢事件时直接就生成更新事件，但对于高级控制定时器
却不是这样，高级控制定时器在硬件结构上多出了重复计数器，在定时器发生上溢或下溢事件是递减重复计数器的值，只有当重复计数器为 0 时才会生成更新事件。在发生 N+1 个上溢或下溢事件(N 为 RCR 的值)时产生更新事件。

1.4 输入捕获

输入捕获可以对输入的信号的上升沿，下降沿或者双边沿进行捕获，常用的有测量输
入信号的脉宽和测量 PWM 输入信号的频率和占空比这两种。输入捕获的大概的原理就是，当捕获到信号的跳变沿的时候，把计数器 CNT 的值锁存到捕获寄存器 CCR 中，把前后两次捕获到的 CCR 寄存器中的值相减，就可以算出脉宽或者频率。如果捕获的脉宽的时间长度超过你的捕获定时器的周期，就会发生溢出，这个我
们需要做额外的处理。

1.4.1 输入通道

需要被测量的信号从定时器的外部引脚 TIMx_CH1/2/3/4 进入，通常叫 TI1/2/3/4，在后面的捕获讲解中对于要被测量的信号我们都以 TIx 为标准叫法。

1.5 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，有冻结、将通道 X
（x=1,2,3,4）设置为匹配时输出有效电平、将通道 X 设置为匹配时输出无效电平、翻转、强制变为无效电平、强制变为有效电平、 PWM1 和 PWM2 这八种模式，具体使用哪种模式由寄存器 CCMRx 的位 OCxM[2:0]配置。

其中 PWM 模式是输出比较中的特例，使用的也最多。

输出比较的输出信号最终是通过定时器的外部 IO 来输出的，分别为 CH1/2/3/4，其中前面三个通道还有互补的输出通道 CH1/2/3N。更加详细的 IO 说明还请查阅相关的数据手册。

1.6 断路功能（高级）

断路功能就是电机控制的刹车功能，使能断路功能时，根据相关控制位状态修改输出信号电平。在任何情况下， OCx 和 OCxN 输出都不能同时为有效电平，这关系到电机控制常用的 H 桥电路结构原因。
断路源可以是时钟故障事件，由内部复位时钟控制器中的时钟安全系统(CSS)生成，也可以是外部断路输入 IO，两者是或运算关系。
系统复位启动都默认关闭断路功能，将断路和死区寄存器(TIMx_BDTR)的 BKE 为置 1，使能断路功能。可通过 TIMx_BDTR 寄存器的 BKP 位设置设置断路输入引脚的有效电平，设置为 1 时输入 BRK 为高电平有效，否则低电平有效。
发送断路时，将产生以下效果：
 TIMx_BDTR 寄存器中主输出模式使能(MOE)位被清零，输出处于无效、空闲或
复位状态；
 根据相关控制位状态控制输出通道引脚电平；当使能通道互补输出时，会根据情
况自动控制输出通道电平；
 将 TIMx_SR 寄存器中的 BIF 位置 1，并可产生中断和 DMA 传输请求。
 如果 TIMx_BDTR 寄存器中的 自动输出使能(AOE)位置 1，则 MOE 位会在发生下
一个 UEV 事件时自动再次置 1。

2.输入捕获应用

输入捕获一般应用在两个方面，一个方面是脉冲跳变沿时间测量，另一方面是 PWM输入测量。

2.1 测量频率

当捕获通道 TIx 上出现上升沿时，发生第一次捕获，计数器 CNT 的值会被锁存到捕获寄存器 CCR 中，而且还会进入捕获中断，在中断服务程序中记录一次捕获（可以用一个标志变量来记录），并把捕获寄存器中的值读取到 value1 中。当出现第二次上升沿时，发生第二次捕获，计数器 CNT 的值会再次被锁存到捕获寄存器 CCR 中，并再次进入捕获中断，在捕获中断中，把捕获寄存器的值读取到 value3 中，并清除捕获记录标志。利用 value3 和value1 的差值我们就可以算出信号的周期（频率）。

2.2 测量脉宽

当捕获通道 TIx 上出现上升沿时，发生第一次捕获，计数器 CNT 的值会被锁存到捕获寄存器 CCR 中，而且还会进入捕获中断，在中断服务程序中记录一次捕获（可以用一个标志变量来记录），并把捕获寄存器中的值读取到 value1 中。然后把捕获边沿改变为下降沿捕获，目的是捕获后面的下降沿。当下降沿到来的时候，发生第二次捕获，计数器 CNT 的值会再次被锁存到捕获寄存器 CCR 中，并再次进入捕获中断，在捕获中断中，把捕获寄存器的值读取到 value3 中，并清除捕获记录标志。然后把捕获边沿设置为上升沿捕获。

在测量脉宽过程中需要来回的切换捕获边沿的极性，如果测量的脉宽时间比较长，定时器就会发生溢出，溢出的时候会产生更新中断，我们可以在中断里面对溢出进行记录处理。

2.3 PWM 输入模式

测量脉宽和频率还有一个更简便的方法就是使用 PWM 输入模式，该模式是输入捕获的特例，只能使用通道 1 和通道 2， 通道 3 和通道 4 使用不了。与上面那种只使用一个捕获寄存器测量脉宽和频率的方法相比， PWM 输入模式需要占用两个捕获寄存器。

当使用 PWM 输入模式的时候，因为一个输入通道(TIx)会占用两个捕获通道(ICx)，所以一个定时器在使用 PWM 输入的时候最多只能使用两个输入通道(TIx)。
我们以输入通道 TI1 工作在 PWM 输入模式为例来讲解下具体的工作原理，其他通道
以此类推即可。
PWM 信号由输入通道 TI1 进入，因为是 PWM 输入模式的缘故，信号会被分为两路，一路是 TI1FP1，另外一路是 TI2FP2。其中一路是周期，另一路是占空比，具体哪一路信号对应周期还是占空比，得从程序上设置哪一路信号作为触发输入，作为触发输入的哪一路信号对应的就是周期，另一路就是对应占空比。作为触发输入的那一路信号还需要设置极性，是上升沿还是下降沿捕获，一旦设置好触发输入的极性，另外一路硬件就会自动配置为相反的极性捕获，无需软件配置。一句话概括就是：选定输入通道，确定触发信号，然后设置触发信号的极性即可，因为是 PWM 输入的缘故，另一路信号则由硬件配置，无需软件配置。
当使用 PWM 输入模式的时候必须将从模式控制器配置为复位模式（配置寄存器SMCR 的位 SMS[2:0]来实现），即当我们启动触发信号开始进行捕获的时候，同时把计数器 CNT 复位清零。

2.4 时序图分析 PWM 输入模式

PWM 信号由输入通道 TI1 进入，配置 TI1FP1 为触发信号，上升沿捕获。当上升沿的时候 IC1 和 IC2 同时捕获，计数器 CNT 清零，到了下降沿的时候， IC2 捕获，此时计数器CNT 的值被锁存到捕获寄存器 CCR2 中，到了下一个上升沿的时候， IC1 捕获，计数器CNT 的值被锁存到捕获寄存器 CCR1 中。其中 CCR2+1 测量的是脉宽， CCR1+1 测量的是周期。
这里要注意的是 CCR2 和 CCR1 的值在计算占空比和频率的时候都必须加 1， 因为计数器是从 0 开始计数的。
从软件上来说，用 PWM 输入模式测量脉宽和周期更容易，付出的代价是需要占用两
个捕获寄存器.

3. 输出比较应用

输出比较模式总共有 8 种，具体的由寄存器 CCMRx 的位 OCxM[2:0]配置。我们这里只讲解最常用的 PWM 模式，其他几种模式具体的看数据手册即可。

PWM 输出就是对外输出脉宽（即占空比）可调的方波信号，信号频率由自动重装寄
存器 ARR 的值决定，占空比由比较寄存器 CCR 的值决定。

PWM 模式分为两种， PWM1 和 PWM2，总得来说是差不多，就看你怎么用而已，具体的区别见表

以 PWM1 模式来讲解。

以计数器 CNT 计数的方向不同还分为边沿对齐模式和中心对齐模式。 PWM 信号主要都是用来控制电机，一般的电机控制用的都是边沿对齐模式， FOC 电机一般用中心对齐模式。我们这里只分析这两种模式在信号感官上（即信号波形）的区别，具体在电机控制中的区别不做讨论，到了你真正需要使用的时候就会知道了。

3.1 PWM 边沿对齐模式

在递增计数模式下，计数器从 0 计数到自动重载值（ TIMx_ARR 寄存器的内容），然后重新从 0 开始计数并生成计数器上溢事件

在边沿对齐模式下，计数器 CNT 只工作在一种模式，递增或者递减模式。这里我们以CNT 工作在递增模式为例，在中， ARR=8， CCR=4， CNT 从 0 开始计数，当 CNT

3.2 PWM 中心对齐模式

在中心对齐模式下， 计数器 CNT 是工作做递增/递减模式下。开始的时候， 计数器CNT 从 0 开始计数到自动重载值减 1(ARR-1)，生成计数器上溢事件；然后从自动重载值开始向下计数到 1 并生成计数器下溢事件。之后从 0 开始重新计数。
图 是 PWM1 模式的中心对齐波形， ARR=8， CCR=4。第一阶段计数器 CNT 工
作在递增模式下，从 0 开始计数，当 CNTCCR 时， OCxREF 为无效的低电平，当 CCR=>CNT>=1时， OCxREF 为有效的高电平。
在波形图上我们把波形分为两个阶段，第一个阶段是计数器 CNT 工作在递增模式的波形，这个阶段我们又分为①和②两个阶段，第二个阶段是计数器 CNT 工作在递减模式的波形，这个阶段我们又分为③和④两个阶段。
要说中心对齐模式下的波形有什么特征的话，那就是①和③阶段的时间相等，②和④阶段的时间相等。

中心对齐模式又分为中心对齐模式 1/2/3 三种，具体由寄存器 CR1 位 CMS[1:0]配置。
具体的区别就是比较中断中断标志位 CCxIF 在何时置 1：中心模式 1 在 CNT 递减计数的时候置 1，中心对齐模式 2 在 CNT 递增计数时置 1，中心模式 3 在 CNT 递增和递减计数时都置 1

4.定时器初始化结构体

4.1 TIM_TimeBaseInitTypeDef

在基本定时器章节中已经说过。

4.2 TIM_OCInitTypeDef

输出比较结构体 TIM_OCInitTypeDef 用于输出比较模式，与 TIM_OCxInit 函数配合使用完成指定定时器输出通道初始化配置。
高级控制定时器有四个定时器通道，使用时都必须单独设置。

typedef struct {
	uint16_t TIM_OCMode; // 比较输出模式
	uint16_t TIM_OutputState; // 比较输出使能
	uint16_t TIM_OutputNState; // 比较互补输出使能
	uint32_t TIM_Pulse; // 脉冲宽度
	uint16_t TIM_OCPolarity; // 输出极性
	uint16_t TIM_OCNPolarity; // 互补输出极性
	uint16_t TIM_OCIdleState; // 空闲状态下比较输出状态
	uint16_t TIM_OCNIdleState; // 空闲状态下比较互补输出状态
	} TIM_OCInitTypeDef;

1.比较输出模式选择，总共有八种，常用的为 PWM1/PWM2。它设定CCMRx 寄存器 OCxM[2:0]位的值。
2.比较输出使能，决定最终的输出比较信号 OCx 是否通过外部引脚输出。它设定 TIMx_CCER 寄存器 CCxE/CCxNE 位的值。
3.TIM_OutputNState:比较互补输出使能，决定 OCx 的互补信号 OCxN 是否通过外部引脚输出。它设定 CCER 寄存器 CCxNE 位的值。
4.比较输出脉冲宽度，实际设定比较寄存器 CCR 的值，决定脉冲宽度。可设置范围为 0 至 65535
5.比较输出极性，可选 OCx 为高电平有效或低电平有效。它决定着定时器通道有效电平。它设定 CCER 寄存器的 CCxP 位的值。
6.比较互补输出极性，可选 OCxN 为高电平有效或低电平有效。它设定 TIMx_CCER 寄存器的 CCxNP 位的值。
7.空闲状态时通道输出电平设置，可选输出 1 或输出 0，即在空闲状态(BDTR_MOE 位为 0)时，经过死区时间后定时器通道输出高电平或低电平。它设定CR2 寄存器的 OISx 位的值。
8.空闲状态时互补通道输出电平设置，可选输出 1 或输出 0，即在空闲状态(BDTR_MOE 位为 0)时，经过死区时间后定时器互补通道输出高电平或低电平，设定值必须与 TIM_OCIdleState 相反。它设定是 CR2 寄存器的 OISxN 位的值。

4.3 TIM_ICInitTypeDef

输入捕获结构体 TIM_ICInitTypeDef 用于输入捕获模式，与 TIM_ICInit 函数配合使用完成定时器输入通道初始化配置。如果使用 PWM 输入模式需要与 TIM_PWMIConfig 函数配合使用完成定时器输入通道初始化配置。

typedef struct {
	uint16_t TIM_Channel; // 输入通道选择
	uint16_t TIM_ICPolarity; // 输入捕获触发选择
	uint16_t TIM_ICSelection; // 输入捕获选择
	uint16_t TIM_ICPrescaler; // 输入捕获预分频器
	uint16_t TIM_ICFilter; // 输入捕获滤波器
} TIM_ICInitTypeDef;

1.捕获通道 ICx 选择，可选 TIM_Channel_1、 TIM_Channel_2、TIM_Channel_3 或 TIM_Channel_4 四个通道。它设定 CCMRx 寄存器 CCxS 位 的值。
2.输入捕获边沿触发选择，可选上升沿触发、下降沿触发或边沿跳变触发。它设定 CCER 寄存器 CCxP 位和 CCxNP 位的值。
3.输入通道选择，捕获通道 ICx 的信号可来自三个输入通道，分别为TIM_ICSelection_DirectTI、 TIM_ICSelection_IndirectTI 或 TIM_ICSelection_TRC，具体的区别见图。如果是普通的输入捕获， 4 个通道都可以使用，如果是 PWM 输入则只能使用通道 1 和通道 2。 它设定 CCRMx 寄存器的 CCxS[1:0]位的值。

4.输入捕获通道预分频器，可设置 1、 2、 4、 8 分频，它设定 CCMRx寄存器的 ICxPSC[1:0]位的值。如果需要捕获输入信号的每个有效边沿，则设置 1 分频即可
5.输入捕获滤波器设置，可选设置 0x0 至 0x0F。它设定 CCMRx 寄存器ICxF[3:0]位的值。一般我们不使用滤波器，即设置为 0。

4.4 TIM_BDTRInitTypeDef（高级）

断路和死区结构体 TIM_BDTRInitTypeDef 用于断路和死区参数的设置，属于高级定时器专用，用于配置断路时通道输出状态，以及死区时间。它与 TIM_BDTRConfig 函数配置使用完成参数配置。 这个结构体的成员只对应 BDTR 这个寄存器，有关成员的具体使用配置请参考手册 BDTR 寄存器的详细描述。

typedef struct {
	uint16_t TIM_OSSRState; // 运行模式下的关闭状态选择
	uint16_t TIM_OSSIState; // 空闲模式下的关闭状态选择
	uint16_t TIM_LOCKLevel; // 锁定配置
	uint16_t TIM_DeadTime; // 死区时间
	uint16_t TIM_Break; // 断路输入使能控制
	uint16_t TIM_BreakPolarity; // 断路输入极性
	uint16_t TIM_AutomaticOutput; // 自动输出使能
} TIM_BDTRInitTypeDef;

1. TIM_OSSRState：运行模式下的关闭状态选择，它设定 BDTR 寄存器 OSSR 位的值。
   (2) TIM_OSSIState：空闲模式下的关闭状态选择，它设定 BDTR 寄存器 OSSI 位的值。
   (3) TIM_LOCKLevel：锁定级别配置， BDTR 寄存器 LOCK[1:0]位的值。
   (4) TIM_DeadTime：配置死区发生器，定义死区持续时间，可选设置范围为 0x0 至 0xFF。
   它设定 BDTR 寄存器 DTG[7:0]位的值。
   (5) TIM_Break：断路输入功能选择，可选使能或禁止。它设定 BDTR 寄存器 BKE 位的值。
   (6) TIM_BreakPolarity：断路输入通道 BRK 极性选择，可选高电平有效或低电平有效。它
   设定 BDTR 寄存器 BKP 位的值。
   (7) TIM_AutomaticOutput：自动输出使能，可选使能或禁止，它设定 BDTR 寄存器 AOE
   位的值。

后记

这一篇是我文章中篇幅最大的，介绍了通用计时器和高级计时器。
下一篇我们将有很多关于这个的实验：
1.脉宽测量
2.pwm输出
3.pwm互补输出
4.pwm捕获测量频率脉宽
5.利用定时器进行电容按键检测