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3.4 stm32系列：定时器（PWM、定时中断）

news 来源：原创 2025/7/15 4:45:39

一、定时器概述

1.1 软件定时原理

使用纯软件（CPU死等）的方式实现定时（延时）功能；

不精准的延迟：

/* 微秒级延迟函数* 不精准* stm32存在压出栈过程需要消耗时间* 存在流水线，执行时间不确定*/
void delay_us(uint32_t us)
{us*=72;    /* 延时因子 */while(us--);
}

1.2 定时器原理

使用精准的时基，通过硬件的方式，实现定时功能；

定时器的核心是计数器，原理：
精准的时钟源（产生CLK时钟信号）->预分频器(PSC，频率做一个除法，得到计数器工作频率->CNT计数器（没来一个时钟计一个数）->产生溢出（时间到，并自动重装CNT计数器值）

1.3 STM32定时器分类

常规定时器：基本定时器、通用定时器、高级定时器

专用定时器：独立看门狗、窗口看门狗、实时时钟、低功耗定时器

内核定时器：SysTick定时器

（1）定时器配置（F1系列）
基本定时器TIM6/TIM7（16位0-65535，递增，分频系数1~65535）；
通用定时器TIM2-5(16位、递增/递减/中央对齐，分频系数1~65535，捕获比较通道4)；
高级定时器TIM1/TIM8(16位、递增/递减/中央对齐，分频系数1~65535，捕获比较通道4，互补输出)

（2）功能区别
基本定时器：没有输入输出通道，常用作时基，即定时功能；
通用定时器：具有多路独立通道，可用作输入捕获/输出比较，也可用作时基；
高级定时器：除具备通用定时器所有功能外，还具备带死区控制的互不信号输出、刹车输入等功能（可用作电机控制、数字电源设计等）

二、定时器计数模式及溢出条件

2.1 基本定时器简介

1. 基本定时器：TIM6/TIM7(F1);

2. 主要特性：
16位递增计数器（计数值：0~65535）；
16位预分频器（分频系数：1~65536，等于PSC寄存器值+1）；
可用于触发DAC；
在更新事件（计数器溢出）时，可产生中断/DMA请求；

2.2 定时器计数模式及溢出条件

递增计数模式：CNT==ARR（自动重装载计数器设定）
递减计数模式：CNT==0
中心对齐模式：CNT==ARR-1、CNT==1

2.3 实例说明

（1）递增计数模式

PSC=1;     /* 分频系数=PSC+1=2 */
ARR=36;    /* 计数到36时产生溢出 */

CK_PSC为时钟信号，CNT_EN为使能信号（使能使计数器起作用计数），定时器时钟（经过PSC+1分频后的计数），计数寄存器每来一个定时器时钟进行加一，计数器上溢/更新事件/更新中断标志（达到溢出计数值时触发置1）；

（2）递减模式

PSC=1;     /* 分频系数=PSC+1=2 */
ARR=36;    /* 计数到36时产生溢出 */

（3）中心对齐模式

PSC=0;     /* 分频系数=PSC+1=1 */
ARR=6;     /* 计数到6时产生溢出 */

上图开始时计数器寄存器递减直至0时触发置1，再递增直至到6后触发置1再递减。

三、定时器相关寄存器及溢出时间计算方法

3.1 定时器中断相关寄存器（F1）

（1）TIM6和TIM7控制寄存器1（TIMx_CR1）
ARPE（位7）：自动重装载使能，默认为0（TIMx_ARR寄存器没有缓存，操控ARR后立即赋值到影子寄存器生效），置1（操控ARR后，需等到U事件发生再赋值到影子寄存器）；
CEN（位0）：0关闭计数器，1使能计数器；

（2）TIM6和TIM7 DMA/中断使能寄存器（TIMx_DIER）
UDE（位8）：更新DMA请求使能，0禁止更新DMA请求，1使能更新DMA请求；
UIE（位0）：更新中断使能，0禁止更新中断，1使能更新中断；

（3）TIM6和TIM7 状态寄存器（TIMx_SR）
UIF（位0）：用于判断是否产生了更新中断，由硬件置1，软件清除。更新中断标志，硬件在更新中断设置时设置该位，由软件清除。0没有产生更新，1产生了更新中断。

（4）TIM6和TIM7 计数器（TIMx_CNT）
计数器实时数值，可用于设置计时器初始值，范围：0~65535;

（5）TIM6和TIM7 预分频器（TIMx_PSC）
计数器的时钟频率CK_CNT等于f(ck_psc)/(PSC+1)；

（6）TIM6和TIM7 自动重装载寄存器（TIMx_ARR）

3.2 定时器溢出时间计算方法

定时器溢出时间计算公式：

$T_{out}=\frac{(ARR+1)*(PSC+1)}{F_t}$
其中，Tout是定时器溢出时间，Ft是定时器的时钟源频率（未经过分频），ARR是自动重装载寄存器的值，PSC是预分频寄存器的值。

四、基本定时器中断实验配置

4.1 中断实验配置步骤

（1）配置定时器基础工作参数
HAL_TIM_Base_Init()
主要寄存器：CR1、ARR、PSC
功能：初始化定时器基础参数

（2）定时器基础MSP初始化
HAL_TIM_Base_MspInit()
功能：存放NVIC、CLOCK、GPIO初始化代码

（3）使能更新中断并启动计数器
HAL_TIM_Base_Start_IT()
寄存器：DIER、CR1
功能：使能更新中断并启动计数器

（4）设置优先级，使能中断
HAL_NVIC_SetPriority()、HAL_NVIC_Enable()

（5）编写中断服务函数
TIMx_IRQHandler()等->调用HAL_TIM_IRQHandler()
寄存器：SR
功能：定时器中断处理公用函数，处理各种中断

（6）编写定时器更新中断回调函数
HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()
功能：定时器更新中断回调函数，由用户重定义

4.2 基本定时器中断程序设计

实现功能：使用定时器6，实现500ms定时器更新中断，在中断里翻转LED0

参数设定：
（1）挂载在APB1（36MHz），定时器时钟x2=72MHz，Ft=72MHz；
（2）分频系数：PSC设为7199（加1刚好为7200）；
（3）ARR=0.5*72000000/7200=5000->ARR=4999。

源码：

主函数：

int main(void)
{HAL_Init();                             /* 初始化HAL库 */sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */delay_init(72);                         /* 延时初始化 */usart_init(115200);                     /* 串口初始化为115200 */led_init();                             /* 初始化LED */btim_timx_int_init(5000 - 1, 7200 - 1); /* 10Khz的计数频率，计数5K次为500ms */
}

定时器头文件：

#ifndef __BTIM_H
#define __BTIM_H#include "./SYSTEM/sys/sys.h"#define BTIM_TIMX_INT                       TIM6
#define BTIM_TIMX_INT_IRQn                  TIM6_DAC_IRQn
#define BTIM_TIMX_INT_IRQHandler            TIM6_DAC_IRQHandler
#define BTIM_TIMX_INT_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_TIM6_CLK_ENABLE(); }while(0)   /* TIM6 时钟使能 */void btim_timx_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc);    /* 基本定时器 定时中断初始化函数 */#endif

定时器代码：

#include "./BSP/TIMER/btim.h"TIM_HandleTypeDef g_timx_handle;  /* 定时器句柄 *//* 定时器中断初始化函数 */
void btim_timx_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{g_timx_handle.Instance = BTIM_TIMX_INT;                      /* 通用定时器X */g_timx_handle.Init.Prescaler = psc;                          /* 设置预分频系数 */g_timx_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;         /* 递增计数模式 */g_timx_handle.Init.Period = arr;                             /* 自动装载值 */HAL_TIM_Base_Init(&g_timx_handle);HAL_TIM_Base_Start_IT(&g_timx_handle);    /* 使能定时器x及其更新中断 */
}/* 
* 定时器基础MSP初始化函数
* 定时器底层驱动，开启时钟，设置中断优先级
* 此函数会被HAL_TIM_Base_Init()函数调用*/
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{if (htim->Instance == BTIM_TIMX_INT){BTIM_TIMX_INT_CLK_ENABLE();                     /* 使能TIM时钟 */HAL_NVIC_SetPriority(BTIM_TIMX_INT_IRQn, 1, 3); /* 抢占1，子优先级3，组2 */HAL_NVIC_EnableIRQ(BTIM_TIMX_INT_IRQn);         /* 开启ITM3中断 */}
}/* 定时器6中断服务函数 */
void BTIM_TIMX_INT_IRQHandler(void)
{HAL_TIM_IRQHandler(&g_timx_handle); /* 定时器中断公共处理函数 */
}/* 定时器溢出中断回调函数 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{if (htim->Instance == BTIM_TIMX_INT){LED1_TOGGLE(); /* LED1反转 */}
}

五、通用定时器

5.1 通用定时器简介

（1）通用定时器（F1）：TIM2~TIM5；
（2）主要特性：16位递增、递减、中心对齐计数器（计数值：0~65535）；16位预分频器（1~65535），可用于触发DAC和ADC；在更新事件、触发事件、输入捕获、输出比较，会产生终端/DMA请求；
（3）4个独立通道，可用于：输入捕获、输出比较、输出PWM、单脉冲模式；
（4）使用外部信号控制定时器，且可实现多个定时器互连的同步电路；
（5）支持编码器和霍尔传感器电路等；

5.2 计数器时钟源寄存器设置

（1）内部时钟（CK_INT）：设置TIMx_SMCR的SMS=000

（2）外部时钟模式1（外部输入引脚TIx）：

设置TIMx_SMCR的SMS=111(ECE为0)，输入：TI1_ED（双边沿检测，通道1）、TI1FP1（单边沿，通道1）、TI2FP2（单边沿，通道2）；

TS寄存器：100（TI1的边沿检测器TI1_ED）、101滤波后的定时器输入1（TI1FP1）、110（滤波后的定时器输入2）、111（外部触发输入ETFR）

ICF[3:0]寄存器（滤波器配置）：0000无滤波器（以fDTS采样），0001采样频率fSAMPLING=fCK_INT（N=2）,0010采样频率fSAMPLING=fCK_INT（N=4）,0011采样频率fSAMPLING=fCK_INT（N=8）,0100采样频率fSAMPLING=fDTS/2（N=6）,0101采样频率fSAMPLING=fDTS/2（N=8）,0110采样频率fSAMPLING=fDTS/4（N=6）,0111采样频率fSAMPLING=fDTS/4（N=8）,1000采样频率fSAMPLING=fDTS/8（N=6）,....1111采样频率fSAMPLING=fDTS/32（N=8）
如当配置0011，即采样频率为72MHz，滤波次数N=8，即采样到连续8次的高/低电平，才会更改电平。

CKD寄存器（配置fDTS）：00（tDTS=tCK_INT内部时钟源频率），01（tDTS=2xtCK_INT），10（tDTS=4xtCK_INT），11（保留）；

CC1P：输入/捕获1输出极性，0（捕获上升沿），1（捕获下降沿）

（3）外部时钟模式2（外部输入触发ETR）：

设置TIMx_SMCR的ECE=1，引脚输入：ETR引脚输入

ETP寄存器：0（高电平或上升沿有效）、1（低电平或下降沿有效）；

ETPS寄存器：00关闭预分频、01ETPR频率/2、10ETPR频率/4、11ETPR频率/8；

ETP寄存器：外部触发滤波，与外部时钟1中的ICF相同定义

使用一个定时器作为来一个定时器的预分频器

MMS寄存器：主模式选择，010（更新，更新事件被选为触发输入。主定时器的时钟可以被用作分定时器的预分频器）；
SMS=111；
TS：当从定时器为TIM2，000（定时器1作为主）、001（定时器8作为主）、010（定时器2作为主），011（定时器4为主）

（4）内部触发输入

5.3 通用定时器中断实验

与基本定时器异同：通用定时器有三种模式——递增、递减、中间对齐

（1）主函数编写

int main(void)
{HAL_Init();                             /* 初始化HAL库 */sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */delay_init(72);                         /* 延时初始化 */usart_init(115200);                     /* 串口初始化为115200 */led_init();                             /* 初始化LED */gtim_timx_int_init(5000 - 1, 7200 - 1); /* 10Khz的计数频率，计数5K次为500ms */}

（2）通用定时器头文件编写

#ifndef __GTIM_H
#define __GTIM_H
#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
/******************************************************************************************/
/* 通用定时器 定义 *//* TIMX 中断定义 * 默认是针对TIM2~TIM5.* 注意: 通过修改这4个宏定义,可以支持TIM1~TIM8任意一个定时器.*/
#define GTIM_TIMX_INT                       TIM3
#define GTIM_TIMX_INT_IRQn                  TIM3_IRQn
#define GTIM_TIMX_INT_IRQHandler            TIM3_IRQHandler
#define GTIM_TIMX_INT_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); }while(0)  /* TIM3 时钟使能 */
/******************************************************************************************/
void gtim_timx_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc);        /* 通用定时器 定时中断初始化函数 */
#endif

（3）通用定时器.c文件编写

#include "./BSP/TIMER/gtim.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
TIM_HandleTypeDef g_timx_handle; /* 定时器x句柄 */
/*** @brief       通用定时器TIMX定时中断初始化函数* @note*              通用定时器的时钟来自APB1,当PPRE1 ≥ 2分频的时候*              通用定时器的时钟为APB1时钟的2倍, 而APB1为36M, 所以定时器时钟 = 72Mhz*              定时器溢出时间计算方法: Tout = ((arr + 1) * (psc + 1)) / Ft us.*              Ft=定时器工作频率,单位:Mhz** @param       arr: 自动重装值。* @param       psc: 时钟预分频数* @retval      无*/
void gtim_timx_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{GTIM_TIMX_INT_CLK_ENABLE();                                 /* 使能TIMx时钟 */g_timx_handle.Instance = GTIM_TIMX_INT;                     /* 通用定时器x */g_timx_handle.Init.Prescaler = psc;                         /* 预分频系数 */g_timx_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;        /* 递增计数模式 */g_timx_handle.Init.Period = arr;                            /* 自动装载值 */HAL_TIM_Base_Init(&g_timx_handle);HAL_NVIC_SetPriority(GTIM_TIMX_INT_IRQn, 1, 3);             /* 设置中断优先级，抢占优先级1，子优先级3 */HAL_NVIC_EnableIRQ(GTIM_TIMX_INT_IRQn);                     /* 开启ITMx中断 */HAL_TIM_Base_Start_IT(&g_timx_handle);                      /* 使能定时器x和定时器x更新中断 */
}/*** @brief       定时器中断服务函数* @param       无* @retval      无*/
void GTIM_TIMX_INT_IRQHandler(void)
{/* 以下代码没有使用定时器HAL库共用处理函数来处理，而是直接通过判断中断标志位的方式 */if(__HAL_TIM_GET_FLAG(&g_timx_handle, TIM_FLAG_UPDATE) != RESET){LED1_TOGGLE();__HAL_TIM_CLEAR_IT(&g_timx_handle, TIM_IT_UPDATE);  /* 清除定时器溢出中断标志位 */}
}

六、通用定时器PWM输出

6.1 通用定时器输出PWM原理

（1）输出比较框图（定时器1）

捕获/比较预装载寄存器->满足输出条件->捕获比较影子寄存器->与计数器一同进入比较器->输出

满足输出条件：1）CCR1寄存器已写完；2）CC1S配置为0则设定定时器1可输出；3）OC1PE（0禁止TIMx_CCR1寄存器预装载功能，1开启TIMx_CCR1预转载功能--需发送UEV更新事件）

（2）寄存器配置

CC1S：00（通道1为输出），01-11均为输入；

OC1M：输出模式选择，共有8种（F1）。110和111均为PWM输出模式。CCxP=0（高电平有效），CCxP=1（低电平有效）
110：向上计数时，一旦TIMx_CNT<TIMx_CCR1时，通道1为有效电平，否则为无效电平。向下计数时，TIMx_CNT>TIMx_CCR1时，通道1为有效电平，否则为无效电平；
111：向上计数时，一旦TIMx_CNT<TIMx_CCR1时，通道1为无效电平，否则为有效电平。向下计数时，TIMx_CNT>TIMx_CCR1时，通道1为无效电平，否则为有效电平；

ETRF：强制清零，默认为0不受ETRF影响；当设为1时，一旦检测到ETRF高电平，清除输出OC1REF=0；

CC1P：输出极性选择，0时OC1高电平有效，1时OC1低电平有效；

CC1E：0关闭——OC1禁止输出，1开启——OC1开启输出

（3）输出PWM原理

假设：递增计数模式

ARR：自动重装载寄存器的值；CCRx：捕获/比较寄存器x的值；

即，当CNT<CCRx，IO输出0；当CNT>=CCRx，IO输出1。

总结：PWM波周期或频率由ARR决定，PWM占空比由CCRx决定。

6.2 PWM输出程序配置步骤

（1）配置定时器基础工作参数：HAL_TIM_PWM_Init()，
主要寄存器：CR1、ARR、PSC，初始化定时器基础参数；

（2）定时器PWM输出MSP初始化：HAL_TIM_MspInit()，
配置NVIC、CLOCK、GPIO等；

（3）配置PWM模式/比较值等：HAL_TIM_PWM_ConfigChanel()
主要寄存器：CCMRx、CCRx、CCER，配置PWM模式、比较值、输出极性等；

（4）使能输出并启动计数器：HAL_TIM_PWM_Start()
主要寄存器：CCER、CR1，使能输出比较并启动计数器

（5）修改比较值控制占空比（可选）：__HAL_TIM_SET_COMPARE()
主要寄存器：CCRx，修改比较值

（6）使能通道预装载(可选)
主要寄存器：CCER，使能通道预装载

6.3 PWM定时器输出实验

（1）确定PWM波的周期/频率Tout=(ARR+1)*(PSC+1)/Ft，2KHz为例，PSC=71，ARR=499.

（2）配置输出比较模式：PWM模式1，通道输出极性位：低电平有效。

（3）main函数编写

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/TIMER/gtim.h"extern TIM_HandleTypeDef g_timx_pwm_handle;     /* 定时器x句柄 */
int main(void)
{HAL_Init();                             /* 初始化HAL库 */sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */delay_init(72);                         /* 延时初始化 */usart_init(115200);                     /* 串口初始化为115200 */led_init();                             /* 初始化LED *//* 定时器及pwm初始化，2kHz */gtim_timx_pwm_init(500-1, 72-1);uint16_t ledrpwmval=0;uint8_t dir=1;while (1){delay_ms(5);if (dir)ledrpwmval++;else ledrpwmval--;if (ledrpwmval > 300) dir=0;if (ledrpwmval == 0) dir=1;/* 修改定时器占空比进而实现灯亮度调节->呼吸灯 */__HAL_TIM_SET_COMPARE(&g_timx_pwm_handle, TIM_CHANNEL_2, ledrpwmval);    }
}

（4）gtim.c文件编写

#include "./BSP/TIMER/gtim.h"
#include "./BSP/LED/led.h"TIM_HandleTypeDef g_timx_pwm_handle;  /* 定时器x句柄 *//* 通用定时器PWM输出初始化函数 */
void gtim_timx_pwm_init(uint16_t psc, uint16_t arr)
{g_timx_pwm_handle.Instance=TIM3;        /* 选择定时器3 */g_timx_pwm_handle.Init.Prescaler=psc;   /* 分频系数 */g_timx_pwm_handle.Init.Period=arr;      /* 自动重装置值 */g_timx_pwm_handle.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;  /* 向上计数模式 */HAL_TIM_PWM_Init(&g_timx_pwm_handle);  TIM_OC_InitTypeDef timx_oc_pwm_chy;     /* 定义pwm配置句柄 */timx_oc_pwm_chy.OCMode=TIM_OCMODE_PWM1; /* 配置为PWM1模式 */timx_oc_pwm_chy.Pulse=arr / 2;          /* 比较值设为arr一半->占空比50% */ timx_oc_pwm_chy.OCPolarity=TIM_OCPOLARITY_LOW;  /* 输出极性设置为低 *//* PWM初始化分别输入定时器配置、pwm配置以及通道 */HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&g_timx_pwm_handle, &timx_oc_pwm_chy, TIM_CHANNEL_2);/* 开启PWM */HAL_TIM_PWM_Start(&g_timx_pwm_handle, TIM_CHANNEL_2);
}/* 通用定时器PWM MSP初始化函数* 配置NVIC/CLOCK/GPIO
*/
void HAL_TIM_PWM_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{if(htim->Instance==TIM3)                /* 如果为定时器3 */{GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;  /* GPIO初始化句柄 */__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();       /* GPIOB使能 */__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();        /* 定时器使能 */gpio_init_struct.Pin=GPIO_PIN_5;    /* 使能GPIOB5,LED0,TIM3 通道2*/gpio_init_struct.Mode=GPIO_MODE_AF_PP;          /*推挽复用*/gpio_init_struct.Pull=GPIO_PULLUP;              /* 上拉 */gpio_init_struct.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;    /* 高速 */HAL_GPIO_Init(GPIOB, &gpio_init_struct);__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();        /* 重映射时钟使能 */__HAL_AFIO_REMAP_TIM3_PARTIAL();    /* 定时器3部分重映射（通道2手册对应选项） */}
}

（5）gtim.h文件编写

#ifndef __GTIM_H
#define __GTIM_H#include "./SYSTEM/sys/sys.h"/* 通用定时器PWM输出初始化函数 */
void gtim_timx_pwm_init(uint16_t psc, uint16_t arr);/* 通用定时器PWM MSP初始化函数 */
void HAL_TIM_PWM_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim);#endif