6TIM定时器
STM32的定时器功能众多，拥有基本定时功能，输出比较功能（如产生PWM波等），输入捕获（测量方波信号），读取正交编码器的波形。
1.中断原理
TIM定时器的基本功能是对输入的时钟进行计数，并在计数值达到设定值时触发中断（如主频一般是72MHZ，那么计数值设定为72，就是每1US触发一次中断；计数值设定为72000，就是每1MS触发一次中断。）
STM32定时器拥有16位计数器，预分频器，自动重装寄存器组成的时基单元，在72MHZ计数钟下可以实现最大59.65的定时。TIM不仅具备基本的定时中断功能，而且还包含内外时钟源选择，输入捕获，主从触发模式，输出比较，编码器接口等多种功能，并且分为高级定时器，通用定时器，基本定时器三种类型。
内部时钟（CK_CNT）：一般就是系统的主频72MHz，通向时基单元的输入。
时基单元：16位预分频器 + 16位计数器 + 16位自动重装载寄存器。
预分频器：对输入的72MHz时钟进行预分频，寄存器内存储的值是实际的分频系数减一。写0就是不分频，写1就是2分频，写2就是3分频……
计数器：对预分频后的计数时钟进行计数，每遇到上升沿就加一。
自动重装载寄存器：存储计数的最大值，到达此值后触发中断并清零计数器。1。通用定时器框图
- 时基单元：中间的PSC预分频器、自动重装载寄存器、CNT计数器。通用定时器和高级定时器新增两个功能——“向下计数模式”、“中央计数模式”。
- 向上计数模式【常用】：从0开始累加，到自动重装载值触发中断。
- 向下计数模式：从自动重装载值递减，到0触发中断。
- 中央对齐模式：从0开始累加，到自动重装载值触发中断，然后递减，到0再次触发中断。常用于电机控制的SVPWM算法中。
- 内外时钟源选择和主从触发模式结构：上面的一大块。下面介绍各种各样的内外时钟源：
- 内部时钟CK_INT【常用】：通常为72MHz，基本定时器只能选择CK_INT，通用定时器和高级定时器则新增了下面的时钟源。
- 外部TIMx_ETR【常用】：引脚的位置可以参考引脚定义表，如stm32f103c8t6的PA0引脚复用了TIM2_CH1_ETR等。外部输入了方波时钟，然后通过极性选择、滤波等电路进行整形，然后兵分两路，一路ETRF进入触发控制器，紧跟着就可以选择成为时基单元的时钟（外部时钟模式2）；一路进入选择器等待成为TRGI。
- TRGI主要用作触发输入来使用，可以触发定时器的从模式，本小节仅用做外部时钟（外部时钟模式1），其他功能后续再讲。
- 外部ITR信号：包括ITR0~ITR4（引脚定义见参考手册“表78 TIMx内部触发连接”），来自其他定时器，实现了定时器的级联。这个ITR信号从上一级定时器的主模式TRGO引脚来（图片右上方）。
- 外部TI1F-ED：来自于输入捕获单元的TIMx_CH1引脚，后缀“ED”意为边沿，也就是说该路时钟的上升沿和下降沿均有效，也就是CH1引脚的边沿。
- 外部TI1FP1：来自CH1引脚时钟。
- 外部TI2FP2：来自CH2引脚时钟。
- 编码器接口：可以读取正交编码器的输出波形，后续会再介绍。
- TRGO引脚：定时器的主模式输出，可以将内部的一些事件映射到TRGO上，相比基本定时器这些事件的范围显然更广。
- 注：最后三种外部时钟用于输入捕获和测频率，后续介绍。
- 输出比较电路：下面右侧的一大堆，总共有4个通道，可以用于输出PWM波形驱动电机。
- 输入捕获电路：下面左侧的一大推，也是有4个通道，可以用于测量输入方波的频率。
- 注：输入捕获电路和输出比较电路不能同时使用，所以共用中间的“捕获/比较寄存器”以及输入/输出的引脚。后续再介绍。
2.高级定时器
重复次数计数器：可以实现每个几个计数周期，才发生一次更新事件和更新中断，相当于自带一级的定时器级联。
DTG（Dead Time Generate）：死区生成电路。将输出引脚由原来的一个变为两个互补的输出，可以输出一对互补的有死区的PWM波（防止出现短暂的直通现象），可以驱动三相无刷电机（如四轴飞行器、电动车后轮、电钻等）。
BRK刹车输入：为了给电机驱动提供安全保障，如果外部引脚BKIN（Break IN）产生了刹车信号或者内部时钟失效，这个电路就会自动切断电机的输出，防止意外的发生。
定时中断基本结构
时基单元：中间的粉色部分。
运行控制：控制寄存器的一些位，如启动停止、向上或向下计数等，操作这些寄存器就可以控制时基单元的运行了。
内部时钟模式、外部时钟模式2、外部时钟模式1：外部时钟源选择。这个选择器的输出就是为时基单元提供时钟。
编码器模式：编码器独有的模式，一般用不到。
中断申请控制：由于定时器内部有很多地方要申请中断，“中断申请控制”就用来使能控制这些中断是否使能。比如，中断信号会先在状态寄存器里置一个中断标志位，这个标志位会通过中断输出控制，到NVIC申请中断。
CK_PSC：预分频器的输入时钟，选择内部时钟源就是72MHz。
CNT_EN：计数器使能。高电平计数器正常运行，低电平计数器停止。
CK_CNT：计数器时钟，既是预分频器的时钟输出，也是计数器的时钟输入。
计数器寄存器：对CK_CNT进行自增计数，到达自动重装载值清零。
更新事件：计数器寄存器到达自动重装载值时产生一个脉冲。
下面三行时序体现了预分频计数器的一种缓冲机制：
预分频控制寄存器：供用户读写使用，实时响应用户控制，但并不直接决定分频系数。
预分频缓冲器：也称为影子寄存器，真正起分频作用的寄存器。只有在更新事件到达时，才从“预分频控制寄存器”更新预分频参数。以确保更新事件的稳定性。
预分频计数器：按照预分频参数进行计数，以产生对应的CK_CNT脉冲。
正常的计数器时序没啥好说的，就是根据CK_CNT计数，到达自动重装载值产生中断，所以只需看一下更新自动重装载值的过程：
无预装时序（禁用缓冲寄存器）：有溢出问题。若将自动重装载值变小，且此时计数器寄存器已经超过这个新的重装载值，那么计数器寄存器就会一直计数到FFFF才清零。这可能会造成一些问题。
有预装时序（启用缓冲寄存器）：比较稳定。只有更新事件来临时才更新自动重装载值。
时钟是所有外设的基础，所以是需要最先配置的。ST公司写好了SystemInit函数来配置时钟树，下面具体介绍：
左侧是时钟产生电路，右侧时钟分配电路，中间的SYSCLK就是72MHz的系统时钟。
时钟产生电路：
四个振荡源：
内部的8MHz高速RC振荡器。
外部的4-16MHz高速石英晶体振荡器：一般8MHz，相比于内部的RC高速振荡器更加稳定。
外部的32.768kHz低速晶振：一般给RTC提供时钟。
内部的40kHz低速RC振荡器：给看门狗提供时钟。
上面的两个高速晶振用于给系统提供时钟，如AGB、APB1、APB2的时钟。SystemInit函数配置时钟的过程：首先启动内部8MHz时钟为系统时钟，然后配置外部8MHz时钟到PLLMUL模块进行9倍频到72MHz，等到这个72MHz时钟稳定后，再将其作为系统时钟。于是就实现了系统时钟从8MHz切换到72MHz。
CSS：监测外部时钟的运行状态，一旦外部时钟失效，就会自动把外部时钟切换成内部时钟，保障系统时钟的运行，防止程序卡死造成事故。如果外部晶振出问题，那么就会导致程序的时钟变为8MHz，也就是比预期的时钟慢了9倍。
时钟分配电路
AHB总线：有预分频器，SysytemInit配置分频系数为1，于是AHB时钟输出就是72MHz。
APB1总线：SysytemInit配置分频系数为2，于是APB1时钟输出就是36MHz。
APB2总线：SysytemInit配置分频系数为1，于是APB2时钟输出就是72MHz。
外设时钟使能：就是库函数RCC_APB2PeriphClockCmd开启的地方，可以控制相应的外设时钟开启。
定时器的时钟：从图中可以看出，按照SystemInit的默认配置，所有的定时器时钟都是72MHz。
2.实验：定时器定时中断-内部时钟
main.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "OLED.h"
#include "Timer.h"
uint16_t TimerCount = 0;
int main(void){
//配置中断的优先级分组，每个工程只能出现一次！！
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
//OLED显示屏初始化
OLED_Init();
OLED_ShowString(1,1,"TIM_Interrupt:");
OLED_ShowNum(2,1,0,5);
//定时器初始化
Timer_Init();
while(1){
OLED_ShowNum(2,1,TimerCount,5);
};
}
//TIM2定时中断后的中断函数
void TIM2_IRQHandler(void){
if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)==SET){
TimerCount++;
TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);
}
}
timer.h
#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H
void Timer_Init(void);
#endif
timer.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
// 定时器初始化-TIM2
void Timer_Init(void){
//1.初始化RCC内部时钟
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
//2.选择时基单元的时钟
TIM_InternalClockConfig(TIM2);//默认使用内部时钟，也可以不写
//3.配置时基单元
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//外部时钟源的输入滤波器采样频率，内部时钟无所谓
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//加计数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 10000-1;//ARR自动重装器的值10000
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 7200-1;//PSC预分频的值7200
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;//重复计数器的值（高级定时器才有）
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
TIM_ClearFlag(TIM2,TIM_FLAG_Update);//消除上一行TIM_TimeBaseInit立刻产生更新事件影响
//4.配置中断输出控制
TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
//5.配置NVIC
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2 ;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
//6.配置运行控制
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
/*
//TIM2定时中断后的中断函数
void TIM2_IRQHandler(void){
if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)==SET){
??
TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);
}
}
*/
3定时器中断-外部时钟
对外部输入的方波（对射式红外传感器）进行计次，每出现9个方波就自动加一。
main.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "OLED.h"
#include "Timer.h"
uint16_t TimerCount = 0;
int main(void){
//配置中断的优先级分组，每个工程只能出现一次！！
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
//OLED显示屏初始化
OLED_Init();
OLED_ShowString(1,1,"TimerCount:");
OLED_ShowNum(2,1,0,5);
OLED_ShowString(3,1,"CNT:");
OLED_ShowNum(3,5,0,5);
//定时器初始化
Timer_Init();
while(1){
OLED_ShowNum(2,1,TimerCount,5);
OLED_ShowNum(3,5,TIM_GetCounter(TIM2),5);
};
}
//TIM2定时中断后的中断函数
void TIM2_IRQHandler(void){
if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)==SET){
TimerCount++;
TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);
}
}
timer.h
#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H
void Timer_Init(void);
#endif
timer.c
#include "stm32f10x.h" // Device header
// 定时器初始化-TIM2
void Timer_Init(void){
//1.初始化RCC内部时钟
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
//2.配置GPIO-PA0
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//虽然器件手册推荐浮空输入，但上拉输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//3.选择时基单元的时钟-ETR外部时钟模式2
TIM_ETRClockMode2Config(TIM2, TIM_ExtTRGPSC_OFF, TIM_ExtTRGPolarity_Inverted, 0x0F);
//4.配置时基单元
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//外部时钟源的输入滤波器采样频率，内部时钟无所谓
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//加计数
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 10-1;//ARR自动重装器的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 1-1;//PSC预分频的值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;//重复计数器的值（高级定时器才有）
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
TIM_ClearFlag(TIM2,TIM_FLAG_Update);//消除上一行TIM_TimeBaseInit立刻产生更新事件影响
//5.配置中断输出控制
TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
//6.配置NVIC
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2 ;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
//7.配置运行控制
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
/*
//TIM2定时中断后的中断函数
void TIM2_IRQHandler(void){
if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)==SET){
??
TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);
}
}
*/
4.TIM输出比较原理
TIM的 OC（Output Compare）输出比较 主要用于输出PWM波形，PWM又是驱动电机的必要条件（智能车、机器人等），所以应用广泛。输出比较功能 可以通过比较 CNT计数器 与 CCR捕获/比较寄存器 的大小，来对输出电平进行置1、置0或翻转的操作，用于输出一定频率和占空比的PWM波形。
- 每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输出比较通道。
- 高级定时器的前3个通道额外拥有死区生成和互补输出的功能。
- PWM脉冲宽度调制，在具有惯性的系统中，可以通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的输出的模拟量（占空比即为高电平所占比例，分辨率为占空比变化精细程度），
- 注：定时中断的频率就是PWM波的频率，只不过占空比的变化范围由自动重装栽植决定
- 左侧输入：CNT和CCR比较的结果。
- ETRF：定时器的小功能，一般不用，无需了解。
- 输出模式控制器：CNT>=CCR1时，输出模式控制器收到信号并输出oc1ref。输出比较的8种模式如下：
- 见stm32参考手册“14.3.7强制输出模式”、“14.3.8输出比较模式”、“14.3.9PWM模式”三节。
- 主模式控制器：可以将oc1ref映射到主模式的TRGO输出上去。
- CC1P：极性选择。选择是否需要将oc1ref的高低电平翻转一下。
- 输出使能电路：由CC1E选择要不要输出。
- OC1：后续通过TIMx_CH1输出到GPIO引脚上。
- PWM频率： Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
- PWM占空比： Duty = CCR / (ARR + 1)
- PWM分辨率： Reso = 1 / (ARR + 1)
5.舵机介绍
型号：SG90。
三根输入线：棕色是电源负、红色是电源正、橙色是PWM信号线。注意这个颜色因型号不同可能不同，需要查看说明手册。
输入PWM信号要求：周期为20ms(50Hz)，高电平宽度为0.5ms~2.5ms（占空比2.5%~12.5%），脉冲控制精度为2us(0.18°，占空比精度0.01%)。
内部电板的基本思路：根据输入占空比得到期望角度，然后检测当前角度，若当前角度较小则顺时针转；反之则逆时针转，直到与期望角度相同。
- VM：电机电源的正极，范围4.5V~10V。要接一个可以输出大电流的电源，且电压一般与电机的额定电压保持一致。
- VCC：逻辑电平输入端，范围2.7V~5.5V。这个要与控制控制器的电源保持一致，所以采用stm32就是3.3V、采用51单片机就是5V。
- 三个GND：都是电源负极，随便选一个接地即可。
- STBY：Stand by，待机控制引脚。接地，芯片处于待机状态不工作；接逻辑电源VCC，芯片正常工作。
- PWMA、AIN1、AIN2：接在单片机GPIO引脚上，用于控制电机，控制逻辑如上图。PWMA接PWM波，AIN1、AIN2可以任意接普通的GPIO口。
- AO1、AO2：按照控制逻辑，从VM汲取电流来驱动电机。
- PWMB、BIN1、BIN2与BO1、BO2：同上述，控制另一个电机的转动。
注：根据逻辑控制真值表，这里的PWM就是用来等效成一个模拟量。