STM32F103单片机学习—— 通用定时器

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本篇重点记录的是STM32F1的通用定时器。
STM32F103ZE有8个定时器，其中2个高级定时器（TIM1、TIM8），4个通用定时器（TIM2、TIM3、TIM4、TIM5），2个基本定时器（TIM6、TIM7）。下表是对这8个定时器的详细描述。

定时器种类	位数	计数器模式	产生DMA请求	捕获/比较通道	互补输出	特殊应用场景
高级定时器 （TIM1，TIM8）	16	向上、向下、向上/下	可以	4	有	带死区控制盒紧急刹车， 可应用于PWM电机控制
通用定时器 （TIM2~TIM5）	16	向上、向下、向上/下	可以	4	无	通用。定时计数，PWM输出， 输入捕获，输出比较
基本定时器 （TIM6，TIM7）	16	向上、向下、向上/下	可以	0	无	主要应用于驱动DAC

上表中可看出STM32F103ZE定时器都是16位的，捕获/比较通道有4个，计数模式包括3种（向上计数、向下计数、中央对齐（向上/向下）计数）。

在此对计数模式做一个解释
①向上计数模式：计数器从0计数到自动加载值(TIMx_ARR)，然后重新从0开始计数并且产生一个计数器溢出事件。
②向下计数模式：计数器从自动装入的值(TIMx_ARR)开始向下计数到0，然后从自动装入的值重新开始，并产生一个计数器向下溢出事件。
③中央对齐模式（向上/向下计数）：计数器从0开始计数到自动装入的值-1，产生一个计数器溢出事件，然后向下计数到1并且产生一个计数器溢出事件；然后再从0开始重新计数。

1、通用计时器概述

通用计数器TIMx（TIM2~TIM5）定时器的特点包括：

• 位于低速的APB1总线上(APB1)
• 16 位向上、向下、向上/向下(中心对齐)计数模式，自动装载计数器（TIMx_CNT）。
• 16 位可编程(可以实时修改)预分频器(TIMx_PSC)，计数器时钟频率的分频系数 为 1～65535 之间的任意数值。
• 4 个独立通道（TIMx_CH1~4），这些通道可以用来作为：
  ① 输入捕获
  ② 输出比较
  ③ PWM 生成(边缘或中间对齐模式)
  ④ 单脉冲模式输出
• 可使用外部信号（TIMx_ETR）控制定时器和定时器互连（可以用 1 个定时器控制另外一个定时器）的同步电路。
• 产生中断/DMA（6个独立的IRQ/DMA请求生成器），该中断产生的事件如下：
  ① 更新：计数器向上溢出/向下溢出，计数器初始化(通过软件或者内部/外部触发)
  ② 触发事件(计数器启动、停止、初始化或者由内部/外部触发计数)
  ③ 输入捕获
  ④ 输出比较
  ⑤ 支持针对定位的增量(正交)编码器和霍尔传感器电路
  ⑥ 触发输入作为外部时钟或者按周期的电流管理
• STM32 的通用定时器可以被用于：测量输入信号的脉冲长度(输入捕获)或者产生输出波形(输出比较和 PWM)等。
• 使用定时器预分频器和 RCC 时钟控制器预分频器，脉冲长度和波形周期可以在几个微秒到几个毫秒间调整。STM32 的每个通用定时器都是完全独立的，没有互相共享的任何资源。

通用计时器框图如下：

从图中我们可以看到通用计时器由时钟、时基单元、输入电路、输出电路构成，下面将会对这四块分别做介绍。

2、通用计数器 时钟的选择

上图总结为计数器的时钟有8种选择：

• 内部RCC提供的时钟：TIMxCLK（CK_INT）
  CK_INT（内部时钟）值的计算：
  从下图可知如果是APB1的分频系数是1，则通用定时器的时钟=APB1的时钟；否则（APB1的分频系数不是1）通用寄存器的时钟=APB1时钟*2；
  
  如：默认使用SystemInit函数的情况下，SYSCLK=72M，AHB时钟=72M，APB1时钟=36M，APB1的分频系数=AHB时钟APB1时钟=2APB1的分频系数=AHB时钟APB1时钟=2 ，所以通用定时器时钟CK_INT=2*36M=72M。

• 内部触发器输入口1~4（ITR1、ITR2、ITR3、ITR4），用一个定时器作为另一定时器的分频

• 外部捕捉比较引脚，引脚1（TI1FP1或TI1F_ED）、引脚2（TI2FP2）
• 外部引脚：ETR（使能/禁止位、可编程设定极性、4位外部触发过滤器、外部触发分频器[分频器关闭、二分频、四分频、八分频]）

计数器时钟可以由下列时钟源提供（该内容意思同上）：
内部时钟(CK_INT)
外部时钟模式1：外部输入脚(TIx)
外部时钟模式2：外部触发输入(ETR)
内部触发输入(ITRx)：使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器，如可以配置一个定时器Timer1而作为另一个定时器Timer2的预分频器。

3、时基单元

从上图中我们可看到定时器的构成：

1）计数寄存器（TIMx_CNT）

该寄存器计数模式为3种，向上计数、向下计数和对齐计数

2）预分频器寄存器（TIMx_PSC）

可将时钟频率按1到65536之间的任意值进行分频，可在运行时改变其设置值

3）自动装载寄存器（TIMx_ARR）

如果TIMx_CR1寄存器中的ARPE位为0，ARR寄存器的内容将直接写入影子寄存器；如果ARPE为1，ARR寄存器的内容将再每次的更新事件UEV发生时，传送到影子寄存器；
如果TIMx_CR1中的UDIS位为0，当计数器产生溢出条件时，产生更新事件；

4）控制寄存器1（TIMx_CR1）

5）DMA中断使能寄存器（TIMx_DIER）

6）定时器中断实现步骤

时基单元为我们提供了定时的功能，我们利用该功能实现如下示例程序的编写：
通过定时器中断配置，实现每500ms中断一次，通过定时中断实现LED灯闪烁。
① 使能定时器时钟。
RCC_APB1PeriphClockCmd();
② 初始化定时器，配置ARR,PSC（即配置自动装载寄存器TIMx_ARR和预分频寄存器值TIMx_PSC）
TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef* TIMx, IM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStruct);

ARR、PSC如何确定
1）我们知道计数器ARR溢出后会产生更新中断，我们以中心对齐模式的时序图来说明，如下图：

上图中CK_INT前面已说过，其频率由APB1来决定，若使用默认时钟SystemInit初始化的话，CK_INT=72MHz。
CK_CNT如何确定，我们看下图

CK_INT=APB1或APB1∗2CK_INT=APB1或APB1∗2
上述公式为何计数器ARR和时钟分频PSC都要加1，因为这两个值是配置在寄存器中的，其实从0开始计数，故要加1。

根据上面导出的Tout的公式，结合本小节开头的需求，中断时间设置为500ms，我们可使用默认的系统频率，则Fck_psc=CK_INT=72MHz，则

500（ms）=（ARR+1）∗T=（ARR+1）∗（PSC[15:0]+1）72000500（ms）=（ARR+1）∗T=（ARR+1）∗（PSC[15:0]+1）72000

设PSC=7199，则ARR=4999，该需求的ARR,PSC我们将会以此值去配置。

③ 开启定时器中断，配置NVIC。
void TIM_ITConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT, FunctionalState NewState);
NVIC_Init();
④ 使能定时器。
TIM_Cmd(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState);
⑤ 编写中断服务函数。
TIMx_IRQHandler();

7）程序编写

//通用定时器3中断初始化
//这里时钟选择为APB1的2倍，而APB1为36M
//arr：自动重装值。
//psc：时钟预分频数
//这里使用的是定时器3!
void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //时钟使能

    //定时器TIM3初始化
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值   
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根据指定的参数初始化TIMx的时间基数单位

    TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE ); //使能指定的TIM3中断,允许更新中断

    //中断优先级NVIC设置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;  //TIM3中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;  //先占优先级0级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;  //从优先级3级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  //初始化NVIC寄存器


    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  //使能TIMx                     
}
//定时器3中断服务程序
void TIM3_IRQHandler(void)   //TIM3中断
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)  //检查TIM3更新中断发生与否
    {
    TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update  );  //清除TIMx更新中断标志 
    LED1=!LED1;
    }
}
//LED1闪烁的周期为500ms，LED0闪烁的周期为200ms，看到的现象为LED1闪烁慢，LED0闪烁快
int main(void)
{       

    delay_init();            //延时函数初始化    
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级

        LED_Init();              //LED端口初始化

    TIM3_Int_Init(4999,7199);//10Khz的计数频率，计数到5000为500ms  
        while(1)
    {
        LED0=!LED0;
        delay_ms(200);         
    }
}    
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STM32通用定时器在此篇仅记录了 定时器基本的概念和时基单元的功能编程，由于篇幅的限制，通用定时器的输入和输出的功能将再下篇介绍。