TIM定时器

0. 定时器的分类和结构

1. 定时器基础参数与时基配置 (Base & Timebase)

这是所有定时器功能的地基，无论使用 PWM 还是编码器，首先都要配置时基。

基本概念

• CK_INT: 内部时钟源频率（通常由 APB1 或 APB2 总线提供，需查阅 Clock Tree）。

• PSC (Prescaler): 预分频系数（16位，0~65535）。

• ARR (AutoReload Register): 自动重装载值（周期值）。

• CNT (Counter): 当前计数值。

CubeMX 配置细节

1. Pinout & Configuration: 选择 TIMx。

2. Clock Source: 选择 Internal Clock (通常情况)。

3. Parameter Settings:

   • Prescaler (PSC): 输入 $N-1$。例如分频 72，输入 71。

   • Counter Mode: Up (向上计数) 最常用。

   • Counter Period (ARR): 输入 $M-1$。决定了溢出/更新的时间点。

   • Internal Clock Division (CKD): 数字滤波器使用的采样时钟分频，通常选 No Division。

   • Auto-reload preload: Enable (建议开启，使修改 ARR 在下个更新事件生效，防止波形错乱)。

核心公式:

$$\text{溢出频率} = \frac{\text{CK_INT}}{(PSC+1) \times (ARR+1)}$$

$$\text{溢出时间} = \frac{(PSC+1) \times (ARR+1)}{\text{CK_INT}}$$

2. 定时中断 (Timer Interrupt)

最基础的功能，用于周期性执行任务。

CubeMX 配置细节

1. 配置时基: 如上所述，计算好 PSC 和 ARR 以获得目标中断频率（例如 1ms 或 1s）。

2. NVIC Settings:

   • Enabled: 必须勾选 TIMx global interrupt。

   • Preemption Priority: 根据系统实时性要求设置优先级。

代码实现

• 启动:

  c // 在 main.c 的 user code begin 2 HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); // 启动定时器并开启更新中断

• 回调函数:

  c // 在 main.c 或任意源文件中重写 void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if (htim->Instance == TIM2) { // 执行周期性任务，例如 1ms 一次 // 注意：不要在此执行耗时操作（如 printf 延迟） } }

3. PWM 输出 (Pulse Width Modulation)

基于 4.输出比较 实现， 用于电机调速、LED 呼吸灯、蜂鸣器驱动。

CubeMX 配置细节

1. Mode: 在 Pinout 中将 Channel x 选为 PWM Generation CHx。

2. Configuration -> Parameter Settings:

   • Counter Settings: 配置 PSC 和 ARR 决定 PWM 频率。

   • PWM Generation Channel x:

     • Mode:

       • PWM mode 1 (常用): CNT < CCR 时有效。

       • PWM mode 2: CNT > CCR 时有效。

     • Pulse (CCR): 初始占空比数值。$\text{Duty} = \frac{CCR}{ARR+1}$。

     • Output compare preload: Enable (重要，防止修改占空比时产生毛刺)。

     • CH Polarity: High (有效电平为高) 或 Low。

代码实现

• 启动:

  c HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); // 开启 PWM 输出

• 运行时修改占空比:

  c // 修改 CCR 寄存器，范围 0 ~ ARR __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 500);

4. 输出比较 (Output Compare - OC)

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

与 PWM 类似但更灵活，用于生成精确的脉冲、相位控制或在特定时间翻转电平（Toggle）。它不强制要求连续波形。

CubeMX 配置细节

1. Mode: 将 Channel x 选为 Output Compare CHx。

2. Configuration -> Parameter Settings:

   • Output Compare Channel x:

     • Mode:

       • Toggle on match: CNT == CCR 时翻转引脚电平（常用，生成固定频率方波，频率为溢出频率的一半）。

       • Set active on match: 匹配时置高。

       • PWM mode: 其实 OC 也可以配成 PWM，但功能少于专用 PWM 模式。

     • Pulse: 初始比较值。

3. NVIC Settings: 如果需要在匹配时触发中断处理（例如相位控制），需要开启 NVIC。

代码实现

• 启动:

  ```c // 方式1: 仅输出电平，不进中断 HAL_TIM_OC_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

  // 方式2: 开启输出并开启匹配中断 HAL_TIM_OC_Start_IT(&htim3, TIM_CHANNEL_1); ```

• 中断回调 (如果开启了 IT):

  c void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if(htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1) { // 匹配事件发生，可以在此动态修改下一次的 CCR 值以改变相位 uint32_t current_ccr = __HAL_TIM_GET_COMPARE(htim, TIM_CHANNEL_1); __HAL_TIM_SET_COMPARE(htim, TIM_CHANNEL_1, current_ccr + offset); } }

5. 输入捕获 (Input Capture - IC)

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的值将被锁存到CCR中，可用于测量PWM波形的频率、占空比、脉冲间隔、电平持续时间等参数

用于测量外部信号的脉宽、周期、频率。

CubeMX 配置细节

1. Mode: Channel x 选为 Input Capture direct mode。

2. Configuration -> Parameter Settings:

   • Counter Settings: 配置 PSC 使得定时器不那么快溢出，但精度又要足够。

   • Input Capture Channel x:

     • Polarity: Rising Edge (上升沿) 或 Falling Edge (下降沿)。

     • Selection: Direct (TI1映射到IC1)。

     • Prescaler: 这里的预分频是对输入信号的分频（例如每8个沿捕获一次），测高频时有用，通常选 No prescaler。

     • Input Filter: 0~15，数字滤波，滤除输入信号毛刺。

3. NVIC Settings: 必须开启 TIMx global interrupt。

代码实现

• 启动:

  c HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

• 测量逻辑 (回调函数):

  ```c uint32_t val1 = 0, val2 = 0; uint8_t capture_idx = 0;

  void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if (htim->Instance == TIM2 && htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1) { if (capture_idx == 0) { val1 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1); capture_idx = 1; } else { val2 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1); // 处理溢出逻辑（如果 val2 < val1，说明中间发生过 ARR 溢出） // 计算周期 = val2 - val1 (需考虑溢出补偿) capture_idx = 0; } } } ```

6. 组合通道 (Combined Channels) 与 PWM 输入模式

CubeMX 中的 Combined Channels 选项通常用于特殊的硬件绑定功能，最典型的是 PWM Input Mode（同时测量频率和占空比）或 Encoder Mode、Hall Sensor Mode。

以 PWM Input Mode 为例（这是一个非常强大的功能，用一个定时器引脚同时捕获周期和脉宽）：

CubeMX 配置细节

1. Mode:

   • Slave Mode: Reset Mode (复位模式)。

   • Trigger Source: TI1FP1 (假设信号从 CH1 进)。

   • Combined Channels: 勾选 PWM Input on CH1 (CubeMX 会自动把 CH2 变成 Indirect mode)。

2. Configuration:

   • Channel 1 (IC1): Polarity Rising Edge (测周期)，Selection Direct。

   • Channel 2 (IC2): Polarity Falling Edge (测占空比)，Selection Indirect。

   • 原理: 上升沿触发 Reset（CNT清零）并由 IC1 捕获（此时是0，但下个周期就是周期值），下降沿由 IC2 捕获（此时是脉宽值）。

代码实现

// 启动 PWM 输入捕获（需要同时启动两个通道）
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_2);

// 在回调中读取
uint32_t IC1_Value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim2, TIM_CHANNEL_1); // 周期 (Frequency)
uint32_t IC2_Value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim2, TIM_CHANNEL_2); // 脉宽 (Duty)
if (IC1_Value != 0) {
    float duty = (float)IC2_Value / IC1_Value * 100;
}

7. 编码器模式 (Encoder Mode)

用于读取旋转编码器（AB相）的信号，自动处理正反转。

CubeMX 配置细节

1. Mode:

   • Combined Channels: Encoder Mode。

2. Configuration -> Parameter Settings:

   • Encoder Mode:

     • Encoder Mode TI1 and TI2: 4倍频模式 (精度最高，上下沿都计数)。

     • Encoder Mode TI1: 2倍频。

   • Counter Period (ARR): 通常设为最大 65535 (16bit) 或 4294967295 (32bit)，防止过快溢出。

   • Input Filter: 建议设为 10 或更高，防止机械抖动误判。

3. NVIC: 通常不需要开启中断，除非你要计算多圈绝对位置（处理溢出）。

代码实现

• 启动:

  c HAL_TIM_Encoder_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_ALL);

• 读取数据 (轮询):

  ```c // int16_t 强转是为了处理反转时的负数（补码） int16_t speed = (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3);

  // 读取后通常需要清零 CNT 以测量速度（单位时间内的脉冲数） __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3, 0);

  // 如果是测绝对位置，则不清零，需处理溢出逻辑 ```

8. 触发源 (Trigger Source) 与主从模式

这是 STM32 定时器的灵魂功能，允许硬件自动同步，无需 CPU 干预。

基本概念

• ITR (Internal Trigger): 内部触发，定时器级联（如 TIM1 溢出触发 TIM2 启动）。

• ETR (External Trigger): 外部引脚触发。

• TIxFPx: 输入捕获引脚信号作为触发源。

常见应用场景：TIM1 主控 TIM2 (级联)

• Master (TIM1) 配置:

  • Trigger Output (TRGO): Update Event (当 TIM1 发生更新/溢出时发送信号)。

• Slave (TIM2) 配置:

  • Slave Mode: External Clock Mode 1 (外部时钟模式，即 TIM2 计数器的驱动不是内部晶振，而是 TIM1 的溢出脉冲)。

  • Trigger Source: ITR0 (查阅手册，ITR0 对应 TIM1)。

• NVIC: 都不需要开中断，硬件全自动。

常见应用场景：外部引脚控制启停 (Gated Mode)

• Slave (TIMx) 配置:

  • Slave Mode: Gated Mode。

  • Trigger Source: TI1FP1 (CH1 引脚)。

  • 效果: 当 CH1 为高电平时，定时器计数；低电平时，定时器暂停。

代码实现

大部分配置在 MX_TIMx_Init 中自动生成 (HAL_TIM_SlaveConfigSynchro)。

用户只需启动定时器：

HAL_TIM_Base_Start(&htim1); // 启动主定时器
HAL_TIM_Base_Start(&htim2); // 启动从定时器

9. 使用了 CubeMX 后你不用关心的细节

1. 时钟使能 (__HAL_RCC_TIMx_CLK_ENABLE):

   CubeMX 自动在 stm32fxxx_hal_msp.c 的 HAL_TIM_Base_MspInit 中生成。

2. GPIO 复用映射 (AF):

   CubeMX 自动配置 GPIO 的 Alternate Function 寄存器（如将 PA6 复用为 TIM3_CH1）。

3. 中断清除:

   HAL 库的通用中断处理函数 HAL_TIM_IRQHandler 会自动读取并清除 SR 寄存器的标志位，然后才调用你的 Callback。不要在 Callback 里手动清除标志位，否则可能导致逻辑错误。

4. 结构体初始化:

   TIM_HandleTypeDef、TIM_OC_InitTypeDef 等繁琐的结构体赋值全部自动化。

10. 常用 API 速查表

功能	API	备注
启动/停止 (无中断)	HAL_TIM_Base_Start, HAL_TIM_Base_Stop	基本计数
启动/停止 (带中断)	HAL_TIM_Base_Start_IT, HAL_TIM_Base_Stop_IT	周期任务
PWM 操作	HAL_TIM_PWM_Start, __HAL_TIM_SET_COMPARE	调速/调光
输入捕获	HAL_TIM_IC_Start_IT, HAL_TIM_ReadCapturedValue	测频/测宽
编码器	HAL_TIM_Encoder_Start, __HAL_TIM_GET_COUNTER	测速/位置
设置 CNT	__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htimx, value)	修正计数值
设置 ARR	__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htimx, value)	动态改周期
# 11. RCC时钟树

# 经验

• Encoder不能和定时中断、输出比较（PWM）一起用，因为Encoder会：1.使用CCR寄存器（与PWM冲突）2. 归零counter 与定时中断溢出冲突