STM32TIM定时中断（6）

一、TIM介绍

1、TIM简介

TIM（Timer）定时器 

定时器的基本功能：定时器可以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。

即定时触发中断，同时也可以看出，定时器就是一个计数器，当这个计数器的输入是一个准确可靠的基准时钟的时候， 那它在对这个基准时钟进行计数的过程，实际上就是计时的过程。

比如在STM32中，定时器的基准时钟一般都是主频72MHz，如果对72MHz计72个数，计1个数的周期那就是1MHz，1/1MHz=0.000001s，也就是1us的时间，如果对72MHz计72000个数，计1个数的周期那就是1KHz，1/1KHz=0.001，也就是1ms的时间。

STM32的定时器拥有16位计数器、预分频器、自动重装寄存器的时基单元，在72MHz计数时钟下可以实现最大59.65s的定时，STM32是16位的，因此如果预分频器设置最大，自动重装也设置最大，2的16次方就是65536，即1/(72MHz/65536/65536) = 59.65s。

这里计数器就是用来执行计数定时的一个寄存器，每来一个时钟，计数器加1。

预分频器，可以对计数器的时钟进行分频，让这个计数更加灵活。

自动重装寄存器就是计数的目标值，就是想要计多少个时钟申请中断。

这些寄存器构成了定时器最核心的部分，我们把这一块电路称为时基单元。

STM32的定时器，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、输出比较、编码器接口、主从触发模式等多种功能。

以上功能分为四个部分介绍:

第一部分是定时器中断和内外时钟源选择的功能；

第二部分是输出比较；

第三部分输入捕获和主从触发模式；

第四部分是编码器接口。

本篇文章主要就是介绍第一部分，定时器中断和内外时钟源选择的功能。

STM32的定时器，根据复杂程度和应用场景分为了高级定时器、通用定时器和基本定时器三种类型。

其中高级定时器最复杂，通用定时器中等复杂但最常用，基本定时器最简单，本篇文章主要就是介绍通用定时器。

2、定时器类型

STM32F103C8T6内部拥有的定时器资源是：TIM1、TIM2、TIM3、TIM4，即一个高级定时器，3个通用定时器，没有基本定时器。

不同的芯片型号，拥有的定时器资源是不同的。

3、基本定时器

基本定时器拥有定时中断和主模式触发DAC的功能。

预分频器之前，连接的就是基准计数时钟的输入，由于基本定时器只能选择内部时钟，所以可以直接认为预分频器的输入是由内部时钟过来的，内部时钟的来源是RCC_TIMxCLK，这里的频率值一般都是系统的主频72MHz，所以通向时基单元的计数基准频率就是72MHz。

接下来看下面部分，由三个最重要的寄存器组成，分别是计数器、预分频器、自动重装寄存器，它们构成了最基本的计数计时电路，所以这一块电路就叫做时基单元。

预分频器可以对72MHz的计数时钟进行预分频，比如预分频器写0，那就是不分频，或者说是1分频，这时候输出频率=输入频率=72MHz，如果预分频器写1，那就是2分频，，输出频率=输入频率/2=36MHz，如果预分频写2，就是3分频，输出频率=输入频率/3=24MHz，以此类推，所以预分频器的值和实际的分频系数相差了1，即实际分频系数=预分频器的值+1，这个预分频器是16位的，所以最大值可以写65535，也就是65536分频。

计数器可以对预分频后的计数时钟进行计数，计数时钟每来一个上升沿，计数器的直接就加1，这个计数器也是16位的，所以里面的值可以从0一直加到65535，如果再加，计数器就会回到0重新开始，计数器的值是在计时过程中会不断地自增运行，当自增运行到目标值时，产生中断，那就完成了定时任务。

所以还需要一个存储目标值的寄存器，那就是自动重装寄存器，自动重装寄存器也是16位的，它存的就是我们写入的计数目标，在运行的过程中，计数值不断自增，自动重装值是固定的目标，当计数值等于自动重装时，也就是计时时间到了，那它就会产生一个中断信号，并且清零计数器，计数器自动开始下一次的计数计时。

图里面右下角画的一个向上的折线箭头UI，就代表这里会产生中断信号，像这种计数值等于自动重装值产生的中断，一般称作为“更新中断”，这个更新中断之后就会通往NVIC，我们再配置好NVIC的定时器通道，那定时器的更新中断就能够得到CPU的响应了。

右下角画的向下的箭头U，代表的是会产生一个事件，这里对应的事件就叫做“更新事件”，更新事件不会触发中断，但可以触发内部其他电路的工作。

以上这些，就是定时器定时中断的全部流程了。

4、通用定时器

通用定时器除了基本定时器的功能外，计数器的计数模式就不止向上计数（计数器从0开始，向上自增，计数到重装值，清零同时申请中断）这一种了，还支持向下计数模式和中央对齐模式。

向下计数模式，就是从重装值开始，向下自减，减到0之后，回到重装值同时申请中断，然后继续下一轮，依次循环，这就是向下计数。

中央对齐的计数模式，就是从0开始，先向上自增，计数到重装值，申请中断，然后再向下自减，计数到重装值，再申请中断，然后继续下一轮，依次循环，这就是中央对齐模式。

在中间时基单元的上方，是内外时钟源选择和主从触发模式的结构。

先看内外时钟源选择，对于基本定时器而言，定时只能选择内部时钟，也就是系统频率72MHz，对于通用定时器，时钟源不仅可以选择内部的72MHz时钟，还可以选择外部时钟。

具体包括：
        第一个外部时钟就是来自TIMx_ETR引脚上的外部时钟，参考引脚定义表可知，可以看到PA0处有TIM2_CH1_ETR功能，意思是这个TIM2的CH1和ETR都是复用在了PA0引脚位置。              可以在TIM2的ETR引脚，也就是PA0上接一个外部方波时钟，然后配置一下内部的极性选择、边沿检测和预分频电路，再配置一下输入滤波电路，这两块电路可以对外部时钟进行一定的整形，因为是外部引脚的时钟，所以难免会有些毛刺，那这些电路就可以对输入的波形进行滤波，最后，滤波后的信号，兵分两路，上面一路ETRF进入触发控制器，紧跟着就可以选择作为时基单元的时钟了。                                                                                                                                              如果想在ETR外部引脚提供时钟，或者想对ETR时钟进行计数，把这个定时器当作计数器来用的话，那就可以配置这一路的电路，在STM32中，这一路也叫做“外部时钟模式2”。

除了外部引脚ETR可以提供时钟外，下面还有一路可以提供时钟，就是TRGI（Trigger In），这一路从名字上来看的话，主要作用是用作触发输入来使用的，这个触发输入可以触发定时器的从模式，也可以作为外部时钟来使用，当TRGI当作外部时钟使用时，这一路就叫做“外部时钟模式1”。

具体有哪些外部时钟通过TRGI这一路，首先是ETR引脚的信号，这里ETR引脚的信号既可以通过ETRF上面一路来当作时钟，又可以通过TRGI下面一路来当作时钟，两种情况对于时钟输入而言是等价的，只不过是下面这一路输入会占用触发输入的通道而已。

其次就是ITR信号，这一部分的时钟信号是来自其他定时器，从右边可以看出，这个主模式的输出TRGO可以通向其他定时器，通向其他定时器的时候，就接到了其他定时器的ITR引脚上来了。左边输入的ITR0和ITR3分别来自其他4个定时器的TRGO输出，定时器的ITRx和定时器TIMx的TRGO连接方式如下图所示。
通过这一路，就可以实现定时器级联的功能。比如，可以先初始化TIM3，然后使用主模式把它的更新事件映射到TRGO上，接着再初始化TIM2，这里选择ITR2，对应的就是TIM3的TRGO，然后后面再选择时钟为外部时钟模式1，这样TIM3的更新事件就可以驱动TIM2的时基单元，也就实现了定时器的级联。

 最后，还可以选择TI1F_ED信号，这里连接的是下面的输入捕获单元的CH1引脚，也就是从CH1引脚获得时钟，后缀ED（edge）就是边沿的意思，通过TIMx_CH1这一路输入的时钟，上升沿和下降沿均有效，最后这个时钟还可以通过TI1FP1和TI2FP2获得。

在中间时基单元的下方，包含了两块电路，右边一块是输出比较电路，总共有四个通道，分别对应CH1到CH4的引脚，可以用于输出PWM波形、驱动电机；左边一块是输入捕获电路，也是四个通道，可以用于测量输入方波的频率等；中间的一个寄存器是捕获/比较寄存器，是输入捕获和输出比较电路共用的，因为输入捕获和输出比较不能同时使用，所以这里的寄存器是共用的，引脚也是共用的。

5、定时中断基本结构

首先时基单元下方的运行控制，就是控制寄存器的一些位，比如启动停止、向上或向下计数等等，操作这些寄存器就能控制时基单元的运行。

中间黄色块及左边区域，是为时基单元提供时钟的部分，这里可以选择RCC提供的内部时钟，也可以选择ETR引脚提供的外部时钟模式2，还可以选择触发输入，当做外部时钟模式1，对应的有ETR外部时钟、ITRx其他定时器、TIx输入捕获通道，这些就是定时器所有可选的时钟源了。
最后的编码器模式是编码器独用的模式，普通的时钟用不到这个。

时基单元的右边，就是计时时间到，产生更新中断后的信号去向，中断信号会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。中断输出控制就是一个中断输出的允许位，如果需要某个中断，才打开允许位。

6、时基单元的时序

（1）预分频器时序

CK_PSC：预分频器的输入时钟，选内部时钟一般是72MHz；

CN_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，它既是预分频器的时钟输出，也是计数器的时钟输入。
计数器未使能时，计数器时钟不运行，使能后，前半段，预分频系数为1，计数器的时钟等于预分频器的时钟，后半段，预分频器系数变为2了，计数器的时钟也变为之前的一半了。

计数器寄存器：在计数器时钟的驱动下，计数器寄存器也跟随时钟的上升沿不断自增。

自动重装值是FC，当计数值计数到和重装值相等时，在下一个时钟来临时，计数值才清零，同时下面产生一个更新事件，这就是一个计数周期的工作流程。

在计数计到一半时，改变了预分频控制寄存器的分频值，这个变化不会立刻生效，而是会等到本次计数周期结束时，产生了更新事件，预分频控制寄存器的值才会被传递到缓冲寄存器里面去，变化才会生效。

预分频计数器：预分频器内部实际上也是靠计数来分频的，当预分频值为0时，计数器就一直为0，直接输出原频率，当预分频器为1时，计数器就0、1、0、1这样计数，再回到0的时候，输出一个脉冲，这样输出频率就是输入频率的2分频，预分频器的值（PSC）和实际的分频系数之间有一个数的偏移，计数器时钟= 72MHz / (预分频器值 + 1)。

（2）计数器时序

CK_INT：内部时钟72MHz

CNT_EN：时钟使能，高电平启动

CK_CNT：计数器时钟，因为分频系数为2，所以这个频率是内部时钟频率的二分之一

计数器寄存器：在计数器时钟每个上升沿时自增

自动重装初值为0036，因此在0036后的一个计数器时钟上升沿处，计数器寄存器清零，计数器溢出，产生一个更新事件脉冲UEV，还会置一个更新中断标志UIF，这个标志位只要置1，就会申请中断，中断响应后，需要在中断程序中手动清零。

计数器溢出频率=72MHz/（预分频器值+1）/（自动重装值+1），溢出时间=1/计数器溢出频率

通过设置ARPE位，就可以选择是否使用预装功能。

计数器无预装时序时

改变自动重装初值为36时，计数器寄存器计到36就会计数器溢出，直接更新事件，开启下一轮计数。

计数器有预装时序时

在计数中途，将自动重装值由F5改成36，在本轮计数目标仍然会是F5，计数器寄存器会计数到F5后，计数器溢出，更新事件，影子寄存器才会将自动重装值由F5改成36，开启下一轮计数的自动重装值才会变成36。

引入影子（缓存）寄存器，是为了让值的变化和更新事件，同步发生，防止在运行途中更改造成错误。

7、RCC时钟树

在程序中主函数之前，程序还会执行一个SystemInit函数，这个函数就是用来配置时钟树的。

图中左边部分都是时钟的产生电路，右边的都是时钟的分配电路，中间的SYSCLK就是系统时钟72MHz。

在时钟产生电路中，有四个震荡源，分别是内部的8MHz高速RC振荡器（HSI RC）；外部的4-16MHz高速石英晶体振荡器，也就是晶振（HSE OSC），一般接8MHz；外部的32.768KHz低速晶振（LSE OSC），这个一般是给RTC提供时钟的；最后是内部的40KHz低速RC振荡器（LSI RC），这个可以给看门狗提供时钟。

上面两个高速晶振，是用来提供系统时钟的，AHB、APB2、APB1的时钟都来源于这两个高速晶振，外部的石英振荡器比内部的RC振荡器相对来说更加稳定一些，所以一般都用外部晶振，如果系统简单，而且不需要那么精确的时钟，也可以用内部RC振荡器，这样就可以省下外部晶振的电路。

在SystemInit函数里，ST公司是按下面这样来配置时钟的。首先会启动内部时钟，选择内部8MHz为系统时钟，暂时以内部8MHz的时钟运行，然后再启动外部时钟，配置外部时钟如上图所示，进入PLLXTPRE锁相环进行倍频，8MHz倍频9倍，得到72MHz，等到锁相环输出稳定后，选择锁相环输出为系统时钟，这样就把系统时钟由8MHz切换成了72MHz。 

CSS是时钟安全系统，它也是负责切换时钟的，它可以监测外部时钟的运行状态，一但外部时钟失效，它就会自动把外部时钟切换回内部时钟，保证系统时钟的运行，防止程序卡死造成事故。外部时钟和内部时钟时间差了大概10倍左右。

在时钟分配电路中，首先系统时钟72MHz进入AHB总线，AHB总线有一个预分频器，在SystemInit里配置的分配系数是1，因此AHB的时钟就是72MHz，然后进入APB1总线，这里配置的分频系数为2，所以APB1总线的时钟就是36MHz，由下面的电路，时钟频率又乘2，因此APB1总线的时钟也是72MHz，所以无论是高级、通用还是基本定时器，它们的内部基准时钟都是72MHz。

二、定时器输出比较功能（PWM）

输出比较简称OC（Output Compare），输出比较可以通过比较CNT与CCR寄存器值的关系，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。

CNT是计数器，CCR是捕获/比较寄存器，当CCR为比较寄存器时，CNT计数自增的值会与CCR中的给定值相比较，当CNT的值小于、等于或大于CCR中给定值时，CCR就会输出对应的置1、置0、置1、置0，这样就可以输出一个电平不断跳变的PWM波形，这就是输出比较的基本功能。 

每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输出比较通道，但是它们是共用一个CNT计数器的。

1、PWM波形介绍

脉冲宽度调制简称PWM（Pulse Width Modulation），在具有惯性的系统中，可以通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的模拟参量，即通过输入数字量，来得到输出模拟量，常应用于电机控速等领域。

PWM参数

T_S：周期，T_ON：高电平，T_OFF：低电平
频率 = 1 / T_S            占空比 = T_ON / T_S           
分辨率 = 占空比变化步距（分辨率为1%，则占空比按1%、2%、3%变化）

输出比较的8个模式

其中有效电平就是指高电平，无效电平就是指低电平。
这里主要使用PWM模式1中的向上计数。

2、PWM的基本结构

PWM初始化配置
（1）RCC开启TIM外设和GPIO的时钟；
（2）配置时钟源；
（3）配置时基单元；
（4）配置输出比较单元，包括CCR的值，输出比较模式、极性选择和输出使能；
（5）配置GPIO口，把PWM对应的GPIO口，初始化为复用推挽输出；
（6）运行控制，启动计数器。

配置好时基单元后，CNT就会不断自增运行，CCR是给定值，CNT和CCR会不断比较，后面的输出模式控制器采用PWM模式1，向上计数方式。

当CNT<CCR时，REF参考值输出高电平；当CNT≥CCR时，REF参考值输出低电平。

上图中，黄色线是ARR自动重装器的值，蓝色线是CNT计数器不断自增的值，红色线是CCR中给定值。
假设给ARR=99，CCR=30时，当CNT=0~29，输出高电平给GPIO；当CNT=30~99，输出低电平给GPIO。这样就能通过这三个寄存器的值来调控PWM的频率和占空比了。

3、PWM的参数计算

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)

CK_PSC：预分频器的输入时钟，选内部时钟一般是72MHz；
PSC：预分频器的值
ARR：自动重装器的值
CCR：比较器的值

三、定时器输入捕获（测频率和占空比）

输入捕获简称IC（Input Capture），输入捕获模式下，当通道输入引脚出现指定电平跳变时，当前CNT（计数器）的值将被锁存到CCR（捕获寄存器）中，可用于测量PWM波形的频率（脉冲间隔）、占空比（电平持续时间）等参数。

每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输入捕获通道。
可配置为PWMI模式，同时测量频率和占空比；
可配合主从触发模式，实现硬件全自动测量（在CNT值存到CCR中后，将CNT清零）。

1、频率测量

测频法（适合测量高频信号）：在闸门时间T内，对上升沿计次，得到N，则频率：

测周法（适合测量低频信号）：两个上升沿内，以标准频率fc计次，得到N ，则频率：

中界频率：测频法与测周法误差相等的频率点：

当信号频率大于中界频率时，采用测频法；当信号频率小于中界频率时，采用测周法。

本次实验测量PWM信号的频率和占空比采用的是测周法。
上升沿用于触发输出捕获，CNT用于计数计时，每来一个上升沿，就取CNT的值，自动存在CCR里， CCR捕获到的值就是计次N，CNT的驱动时钟就是标准频率fc（72M/预分频系数），通过fc/N就能得到信号频率。

每次捕获CNT的值存在CCR中后，都要将CNT清零，这样下次上升沿再捕获的时候，取出的CNT才是两个上升沿的时间间隔。

2、主从触发模式

主从触发模式：为主模式、从模式和触发源选择三个模式的简称。

主模式可以将定时器内部的信号，映射到TRGO引脚，用于触发别的外设；
从模式就是接收其他外设或者自身外设的一些信号，用于控制自身定时器的运行，也就是被别的信号所控制；
触发源选择就是选择从模式的触发信号源，选择指定的一个信号，得到TRGI去触发从模式，然后从模式就可以在列表中选择一项来自动执行，也可以认为触发源选择是从模式的一部分。 

因此为了使捕获CNT的值存在CCR中后，将CNT清零操作，触发源选择TI1FP1，然后从模式执行的操作选择Reset，这样TI1FP1的信号就可以自动触发从模式，从模式自动清零CNT。

3、输入捕获基本结构

这里只使用了一个输入捕获通道，只能测量频率。

首先将右上角的时基单元配置好，启动定时器，CNT就会开始自增。
从GPIO会输入一个左上角的方波信号，经过滤波器和边沿检测，选择TIFP1为上升沿触发，之后输入选择直连的通道，分频器选择不分频，当TIFP1出现上升沿时，CNT的当前计数值存到CCR1里；之后触发源选择，选中TIFP1为触发信号，从模式选择复位操作，这样TIFP1的上升沿就会通过上面的Reset去触发CNT清零。

计算信号频率：f=标准频率fc（72M/预分频系数）/N（CCR）

4、PWMI基本结构

PWMI模式使用两个通道同时捕获一个引脚，可以同时测量周期和占空比。

TI1FP1配置上升沿触发，触发捕获和清零CNT；
TI1FP2配置下降沿触发，通过交叉通道，去触发通道2的捕获单元。
如左上角图所示，第一个上升沿是TI1FP1触发上升沿，将CNT值存在CCR1中，之后CNT清零；第一个下降沿，就是TI1FP2触发，将这时的CNT值存到CCR2中，这里的CNT值就是高电平期间的计数值，并不触发CNT清零。
所以CCR2就是高电平期间的计数值，CCR1就是一整个周期的计数值。

占空比=CCR2/CCR1

输入捕获模式初始化配置：
（1）RCC开启时钟，将TIM和GPIO的时钟打开；
（2）GPIO初始化，把GPIO配置成输入模式，一般选择上拉输入或浮空输入；
（3）配置时基单元，让CNT计数器在内部时钟的驱动下自增运行；
（4）配置输入捕获单元，包括滤波器、极性、直连通道还是交叉通道、分频器这些参数；
（5）选择从模式的触发源，触发源选择为TI1FP1；
（6）选择触发之后的操作，执行Reset操作；
（7）调用TIM_Cmd函数，开启定时器。 

四、定时器的编码器接口

触发外部中断手动计次（5-2程序）：当电机高速旋转时，每秒产生成千上万个脉冲，程序就得频繁中断，进中断后，完成的任务又只是简单得加1减1，软件资源就会被简单又低级的工作占用了，所以对于需要频繁执行，操作又比较简单的任务，一般都会设计一个硬件电路模块来自动完成。因此采用定时器的编码器接口自动计次（6-8程序），会更好的利用软件资源。

1、编码器接口简介

编码器接口（Encoder Interface），可接收增量（正交）编码器的信号，根据编码器旋转产生的正交信号脉冲，自动控制CNT自增或自减，从而指示编码器的位置、旋转方向和旋转速度。

每个高级定时器和通用定时器都拥有1个编码器接口，两个输入引脚借用了输入捕获的通道1和通道2。

2、正交编码器

当编码器的旋转轴转起来时，A相和B相就会输出上图所示的方波信号给STM32，转的越快，这个方波的频率就越高，所以频率就代表了速度，取出任意相的信号来测频率，就能得到旋转速度。但是只有一相的信号时，无法测出旋转方向。

编码器接口的设计逻辑
首先把A相和B相的所有边沿作为计数器的计数时钟，出现边沿信号时，就计数自增或自减，具体是增还是减就需要靠另一项状态来决定。当出现某个边沿时，判断另一相的高低电平，如果另一项状态为上表中，则判断为正传，计数自增；反之，当出现某个边沿时，另一项的状态符合下表，则判断为反转，计数自减。

TI1FP1对应A相，TI1FP2对应B相。相对信号的电平对应另一相的高低电平。
向上计数意思就是正传，向下计数意思就是反转。

仅在T1计数，意思是只在A相上升沿和下降沿的时候计数，不考虑B相；
仅在T2计数，意思是只在B相上升沿和下降沿的时候计数，不考虑A相；
在T1和T2计数，意思是同时考虑A相和B相的上升沿和下降沿时候计数。**（一般使用这个模式，精度最高）**

采用在T1和T2同时计数时，下面是实例（均不反相）。
中间的毛刺就是噪声，通过检测A相和B相两个方波信号，可以滤掉噪声。

采用在T1和T2同时计数时，下面是实例（反相）。
这里的TI1信号是反相的，需要将TI1高低电平取反之后，查表才是正确的。
如果接一个编码器，发现数据的加减方向反了，这时候就可以调整以下极性，把任意一个引脚反相，就能反转计数方向了，或者也可以将A相和B相的引脚换一下，也可以改变极性。

3、编码器接口的基本结构

（1）RCC开启时钟，开启GPIO和定时器时钟；
（2）配置GPIO口，需要把PA6和PA7配置成输入模式；
（3）配置时基单元，预分频器一般选择不分频，自动重装其ARR一般给最大值65535，只需要CNT执行计数就可以了；
（4）配置输入捕获单元，只有滤波器和极性两个参数有用到；
（5）配置编码器接口模式；
（6）启动定时器。