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STM32定时器原理与应用实战

创作时间:
作者:
@小白创作中心

STM32定时器原理与应用实战

引用
CSDN
1.
https://blog.csdn.net/weixin_62897522/article/details/140698295

一、定时器基本操作原理

STM32 系列单片机有系统定时器（SysTick）、还有 2 个高级定时器 TIM1 和 TIM8，4 个 通用定时器 TIM2/3/4/5，2 个基本定时器 TIM6 和 TIM7。就功能方面，高级定时器>通用定 时器>基本定时器。理解了高级定时器，就能理解其他两种定时器。

1.定时器就是计数器

定时器最基础的功能是“计数”。一下框图是“高级定时器”：

看②，它是一个 16位的计数器：每进来一个时钟（CK_CNT），里面的计数值“CNT counter”就累加，可以从 0一直累加到0xFFFF。如果时钟频率是 72MHz，那么从 0累加到 0xFFFF的时间是 65535/72=910us。

对于计数器①，它的时钟来源有多种选择，如下图所示：

① 内部时钟：用作普通的定时器，比如系统定时器 ；

② ETR（External Trigger Input），外部触发的输入信号：可以统计外部触发信号 ；

③ ITR0ITR3（Internal Trigger03），内部触发信号：内部触发信号来自其他定时器的“TRGO”信号，用于定时器的级联

④ TIMx_CH1/2/3/4：也可以作为外部输入信号 。

2.定时器时钟源

STM32F103C8定时器的时钟源可以是内部时钟（HSI）或外部时钟（HSE），具体取决于系统设计和配置。在大多数情况下，默认使用内部高速时钟（HSI）作为定时器的时钟源。

通用定时器有4种时钟源： ①内部时钟(CK_INT) ②外部时钟模式1：外部输入引脚(TIx)，x=1，2（即只能来自于通道 1 或者通道 2） ③外部时钟模式2：外部触发输入(ETR) ④内部触发时钟：使用一个定时器作为另一定时器的预分频器

定时器时钟 TIMxCLK，即内部时钟 CK_INT，经 APB1预分频器后分频提供，如果APB1 预分频系数等于 1，则频率不变， 否则频率乘以 2，库函数中 APB1预分频的系数是2，即 PCLK1=36M，所以定时器时钟 TIMxCLK=36*2=72M。

参考此博客：STM32 第20讲 通用定时器（简介/框图/时钟源）_stm32定时器通道及引脚图-CSDN博客

3.PWM的概念

我们经常使用定时器来实现 PWM脉冲输出。PWM（Pulse Width Modulation）简称脉宽调制，使用定时器输出如下图所示的波形：

T 和 T1 都可以调整，频率 f=1/T，占空比 duty = T1/T。占空比是一个脉冲周期内， 高电平的时间与整个周期时间的比例，取值为 0%~100%。

PWM 的控制，通常使用定时器来实现。定时器里有这几个寄存器： ① CNT：计数寄存器，定时器每接收到一个时钟，CNT 值就加一 ② ARR（Auto Reload Register，自动加载寄存器）：当 CNT 累加到 ARR 里的值后，CNT 就 从 0 开始，并且 GPIO 引脚的电平值反转 ③ CCR（Capture/Compare Register，捕获/比较寄存器）：当 CNT 累加到 CRR 的值时， GPIO 引脚的电平值就反转 。

假设 CNT 值不断累加，这几个寄存器的值、GPIO 的电平，关系如下图所示：

二、高精度计时

1.Systick高精度计时

driver_timer.c

#include "driver_timer.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "cmsis_version.h"

/**
 * 函数名称： udelay 
 * 功能描述： us级别的延时函数(复制rt-thread的代码) 
 * 输入参数： us - 延时多少us 
 * 输出参数： 无 
 * 返 回 值： 无 
 * 修改日期 版本号 修改人 修改内容 
 * --- 
 * 2024/7/24 V1.0 大柯基 创建 
 */
void udelay(int us)
{
    uint32_t told = SysTick -> VAL;
    uint32_t tnow;
    
    uint32_t load = SysTick ->LOAD;
    
    /* LOAD + 1 个时钟对应1ms
     * n us对应 n*(load + 1)/1000 个时钟 
     */
    uint32_t ticks = us*(load +1)/1000;
    uint32_t cnt = 0;
    
    while(1)
    {
        tnow = SysTick -> VAL;
        if(told >= tnow)
            cnt += told - tnow;
        else
            cnt += told + told + 1 - tnow;
        /*刷新told 便于下次计算*/
        told = tnow;
        if(cnt >= ticks)
            break;
    }
    
}

/**
 * 函数名称： mdelay 
 * 功能描述： ms级别的延时函数 
 * 输入参数： ms - 延时多少ms 
 * 输出参数： 无 
 * 返 回 值： 无 
 * 修改日期 版本号 修改人 修改内容 
 * --- 
 * 2024/7/24 V1.0 大柯基 创建 
 */
void mdelay(int ms)
{
    for(int i=0; i< ms; i++){
        udelay(1000);
    }
}

/**
 * 函数名称： system_get_ns 
 * 功能描述： 获得系统时间(单位ns) 
 * 输入参数： 无 
 * 输出参数： 无 
 * 返 回 值： 系统时间(单位ns) 
 * 修改日期 版本号 修改人 修改内容 
 * --- 
 * 2024/7/24 V1.0 大柯基 创建 
 */
uint64_t system_get_ns(void)
{
    uint64_t ns = HAL_GetTick();
    ns = ns*1000000;
    
    uint32_t tnow = SysTick ->VAL;
    uint32_t load = SysTick ->LOAD;
    uint64_t cnt;
    cnt = load + 1 - tnow;
    
    ns += cnt * 1000000 / (load+1);
    return ns;
    
}

2.定时器高精度计时

driver_timer.c

#include "driver_timer.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "cmsis_version.h"

//#define USE_SYSTICK

extern TIM_HandleTypeDef     htim4;

/**
 * 函数名称： udelay 
 * 功能描述： us级别的延时函数(复制rt-thread的代码) 
 * 输入参数： us - 延时多少us 
 * 输出参数： 无 
 * 返 回 值： 无 
 * 修改日期 版本号 修改人 修改内容 
 * --- 
 * 2024/7/24 V1.0 大柯基 创建 
 */
void udelay(int us)
{
#ifdef USE_SYSTICK
    uint32_t told = SysTick -> VAL;
    uint32_t tnow;
    
    uint32_t load = SysTick ->LOAD;
    
    /* LOAD + 1 个时钟对应1ms
     * n us对应 n*(load + 1)/1000 个时钟 
     */
    uint32_t ticks = us*(load +1)/1000;
    uint32_t cnt = 0;
    
    while(1)
    {
        tnow = SysTick -> VAL;
        if(told >= tnow)
            cnt += told - tnow;
        else
            cnt += told + told + 1 - tnow;
        /*刷新told 便于下次计算*/
        told = tnow;
        if(cnt >= ticks)
            break;
    }
#else
    uint32_t told = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim4);
    uint32_t tnow;
    uint32_t load = __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim4);
    
    
    /* LOAD + 1 个时钟对应1ms
     * n us对应 n*(load + 1)/1000 个时钟 
     */
    uint32_t ticks = us*(load +1)/1000;
    uint32_t cnt = 0;
    
    while(1)
    {
        tnow = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim4);
        if(tnow >= told)
            cnt += tnow - told;
        else
            cnt += load + 1 - told + tnow;
        /*刷新told 便于下次计算*/
        told = tnow;
        if(cnt >= ticks)
            break;
    }
#endif
}

/**
 * 函数名称： mdelay 
 * 功能描述： ms级别的延时函数 
 * 输入参数： ms - 延时多少ms 
 * 输出参数： 无 
 * 返 回 值： 无 
 * 修改日期 版本号 修改人 修改内容 
 * --- 
 * 2024/7/24 V1.0 大柯基 创建 
 */
void mdelay(int ms)
{
    for(int i=0; i< ms; i++){
        udelay(1000);
    }
}

/**
 * 函数名称： system_get_ns 
 * 功能描述： 获得系统时间(单位ns) 
 * 输入参数： 无 
 * 输出参数： 无 
 * 返 回 值： 系统时间(单位ns) 
 * 修改日期 版本号 修改人 修改内容 
 * --- 
 * 2024/7/24 V1.0 大柯基 创建 
 */
uint64_t system_get_ns(void)
{
#ifdef USE_SYSTICK
    uint64_t ns = HAL_GetTick();
    ns = ns*1000000;
    
    uint32_t tnow = SysTick ->VAL;
    uint32_t load = SysTick ->LOAD;
    uint64_t cnt;
    cnt = load + 1 - tnow;
    
    ns += cnt * 1000000 / (load+1);
    return ns;
#else
    uint64_t ns = HAL_GetTick();
    ns = ns*1000000;
    
    uint32_t tnow = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim4);
    uint32_t load = __HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim4);
    uint64_t cnt;
    cnt = tnow;
    
    ns += cnt * 1000000 / (load+1);
    return ns;
#endif
}

三、使用PWM控制三色灯

driver_color_oled.c

#include "driver_color_led.h"

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "cmsis_version.h"

extern TIM_HandleTypeDef htim2;

#define COLOR_LED_R TIM_CHANNEL_3
#define COLOR_LED_G TIM_CHANNEL_1
#define COLOR_LED_B TIM_CHANNEL_2

void ColorLED_Init(void)
{
    //MX_TIM2_Init();
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, COLOR_LED_R);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, COLOR_LED_G);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, COLOR_LED_B);
}

void ColorLED_SetColor(uint32_t color)
{
  TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC_R = {0};
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC_G = {0};
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC_B = {0};

  sConfigOC_R.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  sConfigOC_R.Pulse = ((color >> 16) & 0xff)*1999/255; /* 最大值1999 */
  sConfigOC_R.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_LOW;
  sConfigOC_R.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC_R, COLOR_LED_R) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  sConfigOC_G.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  sConfigOC_G.Pulse = ((color >> 8) & 0xff)*1999/255; /* 最大值1999 */
  sConfigOC_G.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_LOW;
  sConfigOC_G.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC_G, COLOR_LED_G) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  sConfigOC_B.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
  sConfigOC_B.Pulse = ((color >> 0) & 0xff)*1999/255; /* 最大值1999 */
  sConfigOC_B.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_LOW;
  sConfigOC_B.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC_B, COLOR_LED_B) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

main.c

ColorLED_Init();

    ColorLED_SetColor(0x00ff0000);
    HAL_Delay(1000);
    ColorLED_SetColor(0x00ff00);
    HAL_Delay(1000);
    ColorLED_SetColor(0x00ff);
    HAL_Delay(1000);

实验现象：全彩LED灯红绿蓝延迟1s交替显示。

四、总结

定时器在单片机开发过程中具有相对重要的作用，合理配置相关的定时寄存器，能够为我们提供精确的时间控制和计数功能。

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