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19 分钟
[STM32] TIM 定时器
2025-12-24
2025-12-27
STM32
笔记
声明

该文档没有使用任何AIGC内容，主要参考了STM32F10xxx的参考手册。

硬件结构#

核心：时基单元#

该部分是实现”定时”功能的基础，虽然名字是”时基”，但应该被看作是一个计数器。

其输入是来自触发控制器的时钟信号，可暂时先视作系统时钟信号。

硬件组成#

组件运行逻辑相关组件
16位预分频器 PSC遇到上升沿时输出一个脉冲给CNT，然后等待 N 个脉冲 (不输出)对应的影子寄存器
16位计数器 CNT每遇到一个上升沿，寄存器就执行一次计数 (有多种模式)“触发控制器”的CNT控制器
16位自动重装载寄存器 ARR根据向上/向下/中央对齐模式操作CNT，并产生更新事件与更新中断对应的影子寄存器

例如，有一个 72MHz 的时钟信号作为输入。若设置为向上计数，PSC = (7200-1)，ARR = (10000-1)。则预分频器会输出72MHz7200=10000Hz\frac{72\text{MHz}}{7200} = 10000\text{Hz} 的信号，又由于ARR会在 CNT==(10000-1) 的时候产生更新事件，所以最终的效果就是每秒产生一次更新。

关于中断和事件

在此处，更新事件只会影响 CNT 与硬件电路（如 TRGO），而各个中断可以配置 NVIC 或 DMA 来处理

影子寄存器(预加载寄存器)：在定时器运行的过程中，可能需要对PSC或ARR做修改，而计数器仍在运行，这可能会诱发不可预料的错误。而影子寄存器可以先记录要修改的目标值，在下一次触发更新事件时，再将修改同步到实际寄存器

影子寄存器需要手动激活

例如ARR的影子寄存器，需要使用TIM_ARRPreloadConfig()函数使能

向上计数模式#

计数器从 0 开始向上计数到 ARR，然后产生一个更新事件并将 CNT 置 0

向下计数模式#

计数器从 ARR 开始向下计数到 0，然后产生一个更新事件并将 CNT 置 ARR

中央对齐模式#

ToDo

通用定时器 的结构与运行逻辑#

对于通用定时器，应该将其视为一个“可编程的通用计数器”。其主要结构如下：

STM32 通用定时器框图

触发器信号输入部分#

  • 内部时钟 CK_INT：来自RCC的 TIMxCLK
  • ETRF (处理后的外部时钟信号)：由 ETR (外部触发引脚) 的信号经过 极性选择、边沿检测、预分频 (Prescaler) 得到 ETRP，再经过滤波得到 ETRF，发送到触发控制器用于外部时钟模式2（直接输入时基单元）
  • ITR (Internal Trigger 内部触发信号)：由四路 ITRx 信号经过 MUX (多路复用器)得到
  • TRC (Timer Remote Control 定时器遥控信号)：由 ITR 与 TI1F_ED (TI1信号经过滤波和双边沿检测，常用于 三相无刷直流电机) 经过 MUX 得到
  • TRGI (Trigger Input 触发器输入信号)：由 ETRF、TRC、TI1FP1、TI2FP2 经过 触发选择器(TS) 得到，作为从模式的输入信号

触发控制器#

作为整个定时器的信号路由，负责处理输入与输出，并控制CNT的工作。可以选择以下时钟源：

  • 内部时钟模式：（默认状态）使用系统时钟，CK_INT 信号。
  • 外部时钟模式2：直接使用 ETRF 信号，注意不是从 TRGI 得到的信号。

所选的时钟源的信号将被直接发送到CK_PSC，而不经过从模式控制器。这意味着它可以与从模式中的复位、门控、触发模式一起使用，这也是两种外部时钟模式的区别。

时钟源的配置

初始化定时器时，默认会使用内部时钟作为时钟源。

触发控制器可以同时开启两种模式：

  • 从模式 (Slave controller mode)：接收外部信号 TRGI，控制CNT

    • 外部时钟模式1：来自TRGI的信号将被发送到 CK_PSC，作为时基单元的预分频器的输入。

    • 复位模式：每次收到信号，CNT将被清零

    • 门控模式：只有在收到信号时，CNT才会计数

    • 触发模式：收到信号，CNT将被使能

    • 编码器模式：这是一种特殊的从模式，开启后从模式控制器将自动控制 CNT 进行自增或自减。相当于使用了一个带有方向选择的外部时钟。

      • 编码器模式1：2倍频。只在 A 相跳变时计数，看 B 相电平判方向
      • 编码器模式2：2倍频。只在 B 相跳变时计数，看 A 相电平判方向
      • 编码器模式3：4倍频 (最常用)。AB 两相跳变时都计数，看另一相电平判方向，精度最高
      关于编码器模式下的ARR

      通常将ARR设置为65535，这样就可以利用补码的特性来很好的处理正反转 例如，编码器接口收到了两个反转信号，CNT 变为65534。又收到两个正转信号，CNT 先加到65535，再加一次就是0

  • 主模式 (Master controller mode)：将内部的事件输出为外部信号 TRGO（发往其它定时器实现级联，或发往 DAC/ADC）

    • 复位：复位事件发生时，发送一个正脉冲
    • 使能：将 CNT_EN 作为 TRGO，只要计数器在运行就是高电平
    • 更新：当更新事件发生时，发送一个正脉冲
    • 比较脉冲：在输入通道1 (IC1) 发生一次捕获或一次比较成功时，将要设置 CC1IF 标志时，发送一个正脉冲
    • 四种比较模式：对应四个通道 ICx，将 OCxREF (Output Compare x Reference Signal 输出比较 x 参考信号) 作为 TRGO

输入/输出部分#

该部分有四路，每路有一个输入捕获单元和一个输出比较单元（只能选择一个开启）。该部分的核心是 CCRx（捕获/比较寄存器），输入与输出都要操作该寄存器。 CCRx 有对应的影子寄存器（预装载寄存器），可配置开启。

输入捕获单元#

以第一路通道举例。信号从 TIMx_CH1 外部引脚输入，经过滤波和边沿检测得到 TI1，之后分为两路。TI1FP1 通往 IC1 的 MUX，TI1FP2 通往 IC2 的 MUX；经过 预分频 后得到触发信号，触发时 CNT 将被复制到 CCR1 (捕获/比较寄存器)。

关于编码器模式

而在编码器模式中，信号不经过边沿检测器就直接进入了编码器接口，因此 TIM_ICPolarity 在这里指的是 是否要对输入信号做反相处理。如果发现编码器接口中得到的数值与实际正好相反，就可以改变某一个 IC 的 TIM_ICPolarity，省去了换线的麻烦。

输出比较单元#

对于 OCx (OC1 ~ OC4)，它会 根据 CNT、CCRx 与设定的输出比较模式，将结果输出到 OCxREF，并触发 CCxI 中断，若触发该中断时，中断标志位非0 (即之前的中断未被处理完)，会将 CC1OF 置1（表示系统未能及时处理捕获信号）

有下面几种输出比较模式：

  • 冻结：REF 保持原状态

  • 匹配时置有效电平：CNT==CCRx 时，REF 置有效电平（不适合输出连续信号）

    有效电平

    在通用计时器中，有效电平即为高电平。

  • 匹配时置无效电平：CNT==CCRx 时，REF 置无效电平（不适合输出连续信号）

  • 匹配时电平翻转：CNT==CCRx 时，REF 电平翻转

    输出一个占空比始终为50%的波形

    设置CNT=0，定时器就会在每次更新时翻转电平，因此周期为ARR的两倍，

  • 强制为无效电平：REF 强制为无效电平

  • 强制为有效电平：REF 强制为有效电平

  • PWM模式1

    • 向上计数：CNT<CCRx\text{CNT} < \text{CCRx} 时，REF 置有效电平；CNT≥CCRx\text{CNT} \geq \text{CCRx} 时， REF 置无效电平
    • 向下计数：CNT≤CCRx\text{CNT} \leq \text{CCRx} 时，REF 置有效电平；CNT>CCRx\text{CNT} > \text{CCRx} 时， REF 置无效电平

  • PWM模式2

    • 向上计数：CNT<CCRx\text{CNT} < \text{CCRx} 时，REF 置有效电平；CNT≥CCRx\text{CNT} \geq \text{CCRx} 时， REF 置无效电平
    • 向下计数：CNT≤CCRx\text{CNT} \leq \text{CCRx} 时，REF 置有效电平；CNT>CCRx\text{CNT} > \text{CCRx} 时， REF 置无效电平
    关于PWM模式

    模式2 与 模式1 的输出完全反相；一般较少使用向下计数。对于模式1的向上计数，有如下参数： 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)，也就是占空比最小变化步距，越小越好。

    快速使能模式

    仅当开启从模式并由外部信号触发，且使用PWM输出时，该模式才有用。 开启该模式后，会跳过部分同步逻辑，缩短信号的输出延迟（牺牲微小的逻辑同步稳定性） 使用TIM_OCxFastConfig开启

注意

输入捕获 和 输出比较 不能同时开启，因为它们共用 CCRx

输出控制#

负责将 REF 转化为 GPIO 的输出

  • 极性选择：设置有效电平极性（为高电平或低电平），参数为 TIM_OCPolarity
  • 输出使能：参数为 TIM_OutputState

基本定时器 的结构与运行逻辑#

基本定时器由一个最简单的触发控制器和一个时基单元组成，大概只能处理简单的定时任务。

STM32 基本定时器框图

高级定时器 的结构与运行逻辑#

相比通用定时器，其在时基单元后连接了 重复次数计数器；在输出部分增加了 DTG 死区生成电路；输出引脚变为了两个互补的输出，可用来控制三相无刷电机；接入了刹车输入与时钟安全系统，用于在意外情况切断输出。

ToDo

基于标准库的代码#

展开代码

在下面的代码块中，点击 collapsed lines 即可展开代码

初始化一个最简单的通用定时器#

以下代码用于初始化使用内部时钟的，每秒触发一次中断的TIM2。

流程：

  • 初始化 TIM2 时钟
  • 初始化 TIM2
  • 打开 TIM2 的更新中断
  • 配置 NVIC 处理更新中断
void TIM_Config(){
20 collapsed lines
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    TIM_InternalClockConfig(TIM2);                                    // 配置TIM2使用内部时钟
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;       // 对定时器时钟的分频操作
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode   = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler     = 0;                  // 预分频器
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period        = 10 - 1;             // 自动重装载寄存器的值
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);


    TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_IT_Update);  // 避免启用后立刻触发的中断
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);


    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);


    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
注意设置NVIC优先级分组

NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PriorityGroup_2);

初始化一个通用定时器，用于输出PWM#

该示例可用于驱动SG90舵机（让PA1输出周期为20ms的PWM）

流程：

  • 开启 GPIO 与 TIM 的时钟
  • 配置时基单元
  • 配置输出比较单元
  • 初始化 GPIO
  • 开启 TIM
void PWM_Config(){
28 collapsed lines
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);


    // 72MHz * 0.020 = 72*20000
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;       // 配置时钟分频，此处设置为不分频
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode   = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler     = 72-1;               // 预分频 (PSC)
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period        = 20000-1;            // 周期   (ARR)
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);


    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode      = TIM_OCMode_PWM1;        // PWM1模式
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity  = TIM_OCPolarity_High;    // 有效电平为高电平
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 输出使能
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse       = 1500;                   // CCR初始值为1500 (高电平宽度 1.5ms)
    TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);


    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;  // 复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);


    TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable); // 开启CCR的影子寄存器
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM2, ENABLE);               // 开启ARR的影子寄存器


    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

初始化一个通用定时器，用测周法测量 PWM#

测周法：在两个上升沿内，以标准频率 fcf_c 记次，得到 N，则频率 fx=fcNf_x = \frac{f_c}{N}

该示例中，fc=72MHz72=1MHzf_c = \frac{72\text{MHz}}{72} = 1\text{MHz}。 每个上升沿，IC1 都会将 CNT 复制到 CCR1。随即从模式控制器将 CNT 复位。因此只需要读取CCR1，就可以得到最新的N。 周期值（注意单位换算）：TIM_GetCapture1(TIM3)+1 频率值：(1000000)/(TIM_GetCapture1(TIM3)+1)

注意核算可测量的最小频率值

此处的最小频率为 100000065535≈15.26Hz\frac{1000000}{65535} \approx 15.26\text{Hz}

同理，将 TI1FP2 信号输入 IC2，并在每个下降沿将 CNT 复制到 CCR2，就可以得到高电平在一个周期中的占比，通过计算可以得到占空比（此处计算结果为千分值） (TIM_GetCapture2(TIM3)+1)*1000/(TIM_GetCapture1(TIM3)+1)

流程：

  • 开启 GPIO 与 TIM 的时钟
  • 配置时基单元
  • 配置输入捕获单元
  • 选择从模式-复位模式
  • 选择输入触发信号的来源 (TRGI)
  • 初始化 GPIO
  • 开启 TIM
void PWMInput_Config(){
38 collapsed lines
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);


    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_IPD; // 注意此处使用了下拉输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);


    // 72MHz = 72*1000000 (1s)
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;       // 配置时钟分频，此处设置为不分频
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode   = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler     = 72-1;             // 预分频 (PSC)
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period        = 65536-1;            // 周期   (ARR)
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);


    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;                // 配置IC1
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;                         // 不启用滤波
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;     // 上升沿触发
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;           // 不分频
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; // TI1 连接到 IC1（直连）
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);


    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Falling;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_IndirectTI;
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);


    TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_Reset); // 选择从模式-复位模式
    TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_TI1FP1);    // 选择 TI1FP1 作为 TRGI


    TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);


    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

初始化一个通用定时器，用标准库的PWMI模式测PWM#

PWMI模式在硬件层面是不存在的，是标准库为了简化程序而引入的函数。如果使用它，则上节代码中配置输入捕获的部分可以改为：

    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM_PWMIConfig(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
关于 TIM_PWMIConfig()

只需要传入一个通道的初始化结构体，函数会自动将另一个通道设置成对应的配置。

例如：传入 通道1，直连，上升沿。函数就会自动配置 通道2，交叉，下降沿。

但注意不能传入通道3或通道4

初始化一个通用定时器，读取编码器#

流程：

  • 开启 GPIO 与 TIM 的时钟
  • 初始化 GPIO 为输入模式
  • 配置时基单元（不分频）
  • 配置输入捕获单元
  • 配置编码器接口模式
  • 开启 TIM
void EncoderInput_Config(){
28 collapsed lines
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);


    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_IPU; // 注意此处使用了上拉输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);


    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseInitStructure);
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler     = 0;       // 预分频 (PSC)
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period        = 0xFFFF;  // 周期   (ARR)
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);


    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStructure);
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;   // 滤波拉满
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;   // 滤波拉满
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);


    // 开启TIM3的编码器接口，模式3，两个通道均不反相
    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);


    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}
如何测速

由于硬件限制，是无法做到硬件层面的测速的。最佳的方法就是再配置一个定时器，定时去读取编码器测量的结果，并计算速度。

[STM32] TIM 定时器
https://blog.yschain.top/posts/stm32-tim/
作者
YSChain
发布于
2025-12-24
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0
线性代数笔记(1)：方程组与行列式
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