2019年09月19日 | 第32章 TIM—高级定时器—零死角玩转STM32-F429系列

本章参考资料：《STM32F4xx 中文参考手册》、《STM32F4xx规格书》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》。

学习本章时，配合《STM32F4xx 中文参考手册》高级定时器章节一起阅读，效果会更佳，特别是涉及到寄存器说明的部分。

特别说明，本书内容是以STM32F42x系列控制器资源讲解。

上一章我们讲解了基本定时器功能，基本定时器功能简单，理解起来也容易。高级控制定时器包含了通用定时器的功能，再加上已经有了基本定时器基础的基础，如果再把通用定时器单独拿出来讲那内容有很多重复，实际效果不是很好，所以通用定时器不作为独立章节讲解，可以在理解了高级定时器后参考《STM32F4xx中文参考手册》通用定时器章节内容理解即可。

32.1 高级控制定时器

高级控制定时器(TIM1和TIM8)和通用定时器在基本定时器的基础上引入了外部引脚，可以输入捕获和输出比较功能。高级控制定时器比通用定时器增加了可编程死区互补输出、重复计数器、带刹车(断路)功能，这些功能都是针对工业电机控制方面。这几个功能在本书不做详细的介绍，主要介绍常用的输入捕获和输出比较功能。

高级控制定时器时基单元包含一个16位自动重载计数器ARR，一个16位的计数器CNT，可向上/下计数，一个16位可编程预分频器PSC，预分频器时钟源有多种可选，有内部的时钟、外部时钟。还有一个8位的重复计数器RCR，这样最高可实现40位的可编程定时。

STM32F429IGT6的高级/通用定时器的IO分配具体见表 01。配套开发板因为IO资源紧缺，定时器的IO很多已经复用它途，故下表中的IO只有部分可用于定时器的实验。

表 01 高级控制和通用定时器通道引脚分布

32.2 高级控制定时器功能框图

高级控制定时器功能框图包含了高级控制定时器最核心内容，掌握了功能框图，对高级控制定时器就有一个整体的把握，在编程时思路就非常清晰，见图 01。

关于图中带阴影的寄存器，即带有影子寄存器，指向左下角的事件更新图标以及指向右上角的中断和DMA输出标志在上一章已经做了解释，这里就不再介绍。

图 01 高级控制定时器功能框图

1.    ①时钟源

高级控制定时器有四个时钟源可选：

    内部时钟源CK_INT

    外部时钟模式1：外部输入引脚TIx（x=1,2,3,4）

    外部时钟模式2：外部触发输入ETR

    内部触发输入

内部时钟源(CK_INT)

内部时钟CK_INT即来自于芯片内部，等于180M，一般情况下，我们都是使用内部时钟。当从模式控制寄存器TIMx_SMCR的SMS位等于000时，则使用内部时钟。

外部时钟模式1

图 02 外部时钟模式1框图

①：时钟信号输入引脚

当使用外部时钟模式1的时候，时钟信号来自于定时器的输入通道，总共有4个，分别为TI1/2/3/4，即TIMx_CH1/2/3/4。具体使用哪一路信号，由TIM_CCMx的位CCxS[1:0]配置，其中CCM1控制TI1/2，CCM2控制TI3/4。

②：滤波器

如果来自外部的时钟信号的频率过高或者混杂有高频干扰信号的话，我们就需要使用滤波器对ETRP信号重新采样，来达到降频或者去除高频干扰的目的，具体的由TIMx_CCMx的位ICxF[3:0]配置。

③：边沿检测

边沿检测的信号来自于滤波器的输出，在成为触发信号之前，需要进行边沿检测，决定是上升沿有效还是下降沿有效，具体的由TIMx_CCER的位CCxP和CCxNP配置。

④：触发选择

当使用外部时钟模式1时，触发源有两个，一个是滤波后的定时器输入1（TI1FP1）和滤波后的定时器输入2（TI2FP2），具体的由TIMxSMCR的位TS[2:0]配置。

⑤：从模式选择

选定了触发源信号后，最后我们需把信号连接到TRGI引脚，让触发信号成为外部时钟模式1的输入，最终等于CK_PSC，然后驱动计数器CNT计数。具体的配置TIMx_SMCR的位SMS[2:0]为000即可选择外部时钟模式1。

⑥：使能计数器

经过上面的5个步骤之后，最后我们只需使能计数器开始计数，外部时钟模式1的配置就算完成。使能计数器由TIMx_CR1的位CEN配置。

外部时钟模式2

图 03 外部时钟模式2框图

①：时钟信号输入引脚

当使用外部时钟模式2的时候，时钟信号来自于定时器的特定输入通道TIMx_ETR，只有1个。

②：外部触发极性

来自ETR引脚输入的信号可以选择为上升沿或者下降沿有效，具体的由TIMx_SMCR的位ETP配置。

③：外部触发预分频器

由于ETRP的信号的频率不能超过TIMx_CLK（180M）的1/4，当触发信号的频率很高的情况下，就必须使用分频器来降频，具体的由 TIMx_SMCR的位ETPS[1:0]配置。

④：滤波器

如果ETRP的信号的频率过高或者混杂有高频干扰信号的话，我们就需要使用滤波器对ETRP信号重新采样，来达到降频或者去除高频干扰的目的。具体的由TIMx_SMCR的位ETF[3:0]配置，其中的fDTS是由内部时钟CK_INT分频得到，具体的由TIMx_CR1的位CKD[1:0]配置。

⑤：从模式选择

经过滤波器滤波的信号连接到ETRF引脚后，触发信号成为外部时钟模式2的输入，最终等于CK_PSC，然后驱动计数器CNT计数。具体的配置TIMx_SMCR的位ECE为1即可选择外部时钟模式2。

⑥：使能计数器

经过上面的5个步骤之后，最后我们只需使能计数器开始计数，外部时钟模式2的配置就算完成。使能计数器由TIMx_CR1的位CEN配置。

内部触发输入

内部触发输入是使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器。硬件上高级控制定时器和通用定时器在内部连接在一起，可以实现定时器同步或级联。主模式的定时器可以对从模式定时器执行复位、启动、停止或提供时钟。高级控制定时器和部分通用定时器(TIM2至TIM5)可以设置为主模式或从模式，TIM9和TIM10可设置为从模式。

图 04为主模式定时器(TIM1)为从模式定时器(TIM2)提供时钟，即TIM1用作TIM2的预分频器。

图 04 TIM1用作TIM2的预分频器

2.    ②控制器

高级控制定时器控制器部分包括触发控制器、从模式控制器以及编码器接口。触发控制器用来针对片内外设输出触发信号，比如为其它定时器提供时钟和触发DAC/ADC转换。

编码器接口专门针对编码器计数而设计。从模式控制器可以控制计数器复位、启动、递增/递减、计数。

3.    ③时基单元

图 05 高级定时器时基单元

高级控制定时器时基单元包括四个寄存器，分别是计数器寄存器(CNT)、预分频器寄存器(PSC)、自动重载寄存器(ARR)和重复计数器寄存器(RCR)。其中重复计数器RCR是高级定时器独有，通用和基本定时器没有。前面三个寄存器都是16位有效，TIMx_RCR寄存器是8位有效。

预分频器PSC

预分频器PSC，有一个输入时钟CK_PSC和一个输出时钟CK_CNT。输入时钟CK_PSC就是上面时钟源的输出，输出CK_CNT则用来驱动计数器CNT计数。通过设置预分频器PSC的值可以得到不同的CK_CNT，实际计算为：fCK_CNT等于fCK_PSC/(PSC[15:0]+1)，可以实现1至65536分频。

计数器CNT

高级控制定时器的计数器有三种计数模式，分别为递增计数模式、递减计数模式和递增/递减(中心对齐)计数模式。

(1)    递增计数模式下，计数器从0开始计数，每来一个CK_CNT脉冲计数器就增加1，直到计数器的值与自动重载寄存器ARR值相等，然后计数器又从0开始计数并生成计数器上溢事件，计数器总是如此循环计数。如果禁用重复计数器，在计数器生成上溢事件就马上生成更新事件(UEV)；如果使能重复计数器，每生成一次上溢事件重复计数器内容就减1，直到重复计数器内容为0时才会生成更新事件。

(2)    递减计数模式下，计数器从自动重载寄存器ARR值开始计数，每来一个CK_CNT脉冲计数器就减1，直到计数器值为0，然后计数器又从自动重载寄存器ARR值开始递减计数并生成计数器下溢事件，计数器总是如此循环计数。如果禁用重复计数器，在计数器生成下溢事件就马上生成更新事件；如果使能重复计数器，每生成一次下溢事件重复计数器内容就减1，直到重复计数器内容为0时才会生成更新事件。

(3)    中心对齐模式下，计数器从0开始递增计数，直到计数值等于(ARR-1)值生成计数器上溢事件，然后从ARR值开始递减计数直到1生成计数器下溢事件。然后又从0开始计数，如此循环。每次发生计数器上溢和下溢事件都会生成更新事件。

自动重载寄存器ARR

自动重载寄存器ARR用来存放与计数器CNT比较的值，如果两个值相等就递减重复计数器。可以通过TIMx_CR1寄存器的ARPE位控制自动重载影子寄存器功能，如果ARPE位置1，自动重载影子寄存器有效，只有在事件更新时才把TIMx_ARR值赋给影子寄存器。如果ARPE位为0，则修改TIMx_ARR值马上有效。

重复计数器RCR

在基本/通用定时器发生上/下溢事件时直接就生成更新事件，但对于高级控制定时器却不是这样，高级控制定时器在硬件结构上多出了重复计数器，在定时器发生上溢或下溢事件是递减重复计数器的值，只有当重复计数器为0时才会生成更新事件。在发生N+1个上溢或下溢事件(N为RCR的值)时产生更新事件。

4.    ④输入捕获

图 06 输入捕获功能框图

输入捕获可以对输入的信号的上升沿，下降沿或者双边沿进行捕获，常用的有测量输入信号的脉宽和测量PWM输入信号的频率和占空比这两种。

输入捕获的大概的原理就是，当捕获到信号的跳变沿的时候，把计数器CNT的值锁存到捕获寄存器CCR中，把前后两次捕获到的CCR寄存器中的值相减，就可以算出脉宽或者频率。如果捕获的脉宽的时间长度超过你的捕获定时器的周期，就会发生溢出，这个我们需要做额外的处理。

①输入通道

需要被测量的信号从定时器的外部引脚TIMx_CH1/2/3/4进入，通常叫TI1/2/3/4，在后面的捕获讲解中对于要被测量的信号我们都以TIx为标准叫法。

②输入滤波器和边沿检测器

当输入的信号存在高频干扰的时候，我们需要对输入信号进行滤波，即进行重新采样，根据采样定律，采样的频率必须大于等于两倍的输入信号。比如输入的信号为1M，又存在高频的信号干扰，那么此时就很有必要进行滤波，我们可以设置采样频率为2M，这样可以在保证采样到有效信号的基础上把高于2M的高频干扰信号过滤掉。

滤波器的配置由CR1寄存器的位CKD[1:0]和CCMR1/2的位ICxF[3:0]控制。从ICxF位的描述可知，采样频率fSAMPLE可以由fCK_INT和fDTS分频后的时钟提供，其中是fCK_INT内部时钟，fDTS是fCK_INT经过分频后得到的频率，分频因子由CKD[1:0]决定，可以是不分频，2分频或者是4分频。

边沿检测器用来设置信号在捕获的时候是什么边沿有效，可以是上升沿，下降沿，或者是双边沿，具体的由CCER寄存器的位CCxP和CCxNP决定。

③捕获通道

捕获通道就是图中的IC1/2/3/4，每个捕获通道都有相对应的捕获寄存器CCR1/2/3/4，当发生捕获的时候，计数器CNT的值就会被锁存到捕获寄存器中。

这里我们要搞清楚输入通道和捕获通道的区别，输入通道是用来输入信号的，捕获通道是用来捕获输入信号的通道，一个输入通道的信号可以同时输入给两个捕获通道。比如输入通道TI1的信号经过滤波边沿检测器之后的TI1FP1和TI1FP2可以进入到捕获通道IC1和IC2，其实这就是我们后面要讲的PWM输入捕获，只有一路输入信号（TI1）却占用了两个捕获通道（IC1和IC2）。当只需要测量输入信号的脉宽时候，用一个捕获通道即可。输入通道和捕获通道的映射关系具体由寄存器CCMRx的位CCxS[1:0]配置。

④的预分频器

ICx的输出信号会经过一个预分频器，用于决定发生多少个事件时进行一次捕获。具体的由寄存器CCMRx的位ICxPSC配置，如果希望捕获信号的每一个边沿，则不分频。

⑤捕获寄存器

经过预分频器的信号ICxPS是最终被捕获的信号，当发生捕获时（第一次），计数器CNT的值会被锁存到捕获寄存器CCR中，还会产生CCxI中断，相应的中断位CCxIF（在SR寄存器中）会被置位，通过软件或者读取CCR中的值可以将CCxIF清0。如果发生第二次捕获（即重复捕获：CCR 寄存器中已捕获到计数器值且 CCxIF 标志已置 1），则捕获溢出标志位CCxOF（在SR寄存器中）会被置位，CCxOF只能通过软件清零。

5.    ⑤输出比较

图 07 输出比较功能框图

输出比较就是通过定时器的外部引脚对外输出控制信号，有冻结、将通道X（x=1,2,3,4）设置为匹配时输出有效电平、将通道X设置为匹配时输出无效电平、翻转、强制变为无效电平、强制变为有效电平、PWM1和PWM2这八种模式，具体使用哪种模式由寄存器CCMRx的位OCxM[2:0]配置。其中PWM模式是输出比较中的特例，使用的也最多。

①比较寄存器

当计数器CNT的值跟比较寄存器CCR的值相等的时候，输出参考信号OCxREF的信号的极性就会改变，其中OCxREF=1（高电平）称之为有效电平，OCxREF=0（低电平）称之为无效电平，并且会产生比较中断CCxI，相应的标志位CCxIF（SR寄存器中）会置位。然后OCxREF再经过一系列的控制之后就成为真正的输出信号OCx/OCxN。

②死区发生器

在生成的参考波形OCxREF的基础上，可以插入死区时间，用于生成两路互补的输出信号OCx和OCxN，死区时间的大小具体由BDTR寄存器的位DTG[7:0]配置。死区时间的大小必须根据与输出信号相连接的器件及其特性来调整。下面我们简单举例说明下带死区的PWM信号的应用，我们以一个板桥驱动电路为例。

图 08 半桥驱动电路

在这个半桥驱动电路中，Q1导通，Q2截止，此时我想让Q1截止Q2导通，肯定是要先让Q1截止一段时间之后，再等一段时间才让Q2导通，那么这段等待的时间就称为死区时间，因为Q1关闭需要时间（由MOS管的工艺决定）。如果Q1关闭之后，马上打开Q2，那么此时一段时间内相当于Q1和Q2都导通了，这样电路会短路。

图 09是针对上面的半桥驱动电路而画的带死区插入的PWM信号，图中的死区时间要根据MOS管的工艺来调节。

图 09 带死区插入的互补输出

③输出控制

图 010 输出比较（通道1~3）的输出控制框图

在输出比较的输出控制中，参考信号OCxREF在经过死区发生器之后会产生两路带死区的互补信号OCx_DT和OCxN_DT（通道1~3才有互补信号，通道4没有，其余跟通道1~3一样），这两路带死区的互补信号然后就进入输出控制电路，如果没有加入死区控制，那么进入输出控制电路的信号就直接是OCxREF。

进入输出控制电路的信号会被分成两路，一路是原始信号，一路是被反向的信号，具体的由寄存器CCER的位CCxP和CCxNP控制。经过极性选择的信号是否由OCx引脚输出到外部引脚CHx/CHxN则由寄存器CCER的位CxE/CxNE配置。

如果加入了断路（刹车）功能，则断路和死区寄存器BDTR的MOE、OSSI和OSSR这三个位会共同影响输出的信号。

④输出引脚

输出比较的输出信号最终是通过定时器的外部IO来输出的，分别为CH1/2/3/4，其中前面三个通道还有互补的输出通道CH1/2/3N。更加详细的IO说明还请查阅相关的数据手册。

6.    ⑥断路功能

断路功能就是电机控制的刹车功能，使能断路功能时，根据相关控制位状态修改输出信号电平。在任何情况下，OCx和OCxN输出都不能同时为有效电平，这关系到电机控制常用的H桥电路结构原因。

断路源可以是时钟故障事件，由内部复位时钟控制器中的时钟安全系统(CSS)生成，也可以是外部断路输入IO，两者是或运算关系。

系统复位启动都默认关闭断路功能，将断路和死区寄存器(TIMx_BDTR)的BKE为置1，使能断路功能。可通过TIMx_BDTR 寄存器的BKP位设置设置断路输入引脚的有效电平，设置为1时输入BRK为高电平有效，否则低电平有效。

发送断路时，将产生以下效果：

    TIMx_BDTR 寄存器中主输出模式使能(MOE)位被清零，输出处于无效、空闲或复位状态；

    根据相关控制位状态控制输出通道引脚电平；当使能通道互补输出时，会根据情况自动控制输出通道电平；

    将TIMx_SR 寄存器中的 BIF位置 1，并可产生中断和DMA传输请求。

    如果 TIMx_BDTR 寄存器中的 自动输出使能(AOE)位置 1，则MOE位会在发生下一个UEV事件时自动再次置 1。

1.1 输入捕获应用

输入捕获一般应用在两个方面，一个方面是脉冲跳变沿时间测量，另一方面是PWM输入测量。

1.1.1 测量脉宽或者频率

图 011 脉宽/频率测量示意图

1.    测量频率

当捕获通道TIx上出现上升沿时，发生第一次捕获，计数器CNT的值会被锁存到捕获寄存器CCR中，而且还会进入捕获中断，在中断服务程序中记录一次捕获（可以用一个标志变量来记录），并把捕获寄存器中的值读取到value1中。当出现第二次上升沿时，发生第二次捕获，计数器CNT的值会再次被锁存到捕获寄存器CCR中，并再次进入捕获中断，在捕获中断中，把捕获寄存器的值读取到value3中，并清除捕获记录标志。利用value3和value1的差值我们就可以算出信号的周期（频率）。

2.    测量脉宽

当捕获通道TIx上出现上升沿时，发生第一次捕获，计数器CNT的值会被锁存到捕获寄存器CCR中，而且还会进入捕获中断，在中断服务程序中记录一次捕获（可以用一个标志变量来记录），并把捕获寄存器中的值读取到value1中。然后把捕获边沿改变为下降沿捕获，目的是捕获后面的下降沿。当下降沿到来的时候，发生第二次捕获，计数器CNT的值会再次被锁存到捕获寄存器CCR中，并再次进入捕获中断，在捕获中断中，把捕获寄存器的值读取到value3中，并清除捕获记录标志。然后把捕获边沿设置为上升沿捕获。

在测量脉宽过程中需要来回的切换捕获边沿的极性，如果测量的脉宽时间比较长，定时器就会发生溢出，溢出的时候会产生更新中断，我们可以在中断里面对溢出进行记录处理。

1.1.2 PWM输入模式

测量脉宽和频率还有一个更简便的方法就是使用PWM输入模式。与上面那种只使用一个捕获寄存器测量脉宽和频率的方法相比，PWM输入模式需要占用两个捕获寄存器。

图 012 输入通道和捕获通道的关系映射图

当使用PWM输入模式的时候，因为一个输入通道(TIx)会占用两个捕获通道(ICx)，所以一个定时器在使用PWM输入的时候最多只能使用两个输入通道(TIx)。

我们以输入通道TI1工作在PWM输入模式为例来讲解下具体的工作原理，其他通道以此类推即可。

PWM信号由输入通道TI1进入，因为是PWM输入模式的缘故，信号会被分为两路，一路是TI1FP1，另外一路是TI2FP2。其中一路是周期，另一路是占空比，具体哪一路信号对应周期还是占空比，得从程序上设置哪一路信号作为触发输入，作为触发输入的哪一路信号对应的就是周期，另一路就是对应占空比。作为触发输入的那一路信号还需要设置极性，是上升沿还是下降沿捕获，一旦设置好触发输入的极性，另外一路硬件就会自动配置为相反的极性捕获，无需软件配置。一句话概括就是：选定输入通道，确定触发信号，然后设置触发信号的极性即可，因为是PWM输入的缘故，另一路信号则由硬件配置，无需软件配置。

当使用PWM输入模式的时候必须将从模式控制器配置为复位模式（配置寄存器SMCR的位SMS[2:0]来实现），即当我们启动触发信号开始进行捕获的时候，同时把计数器CNT复位清零。

下面我们以一个更加具体的时序图来分析下PWM输入模式。

图 013 PWM输入模式时序

PWM信号由输入通道TI1进入，配置TI1FP1为触发信号，上升沿捕获。当上升沿的时候IC1和IC2同时捕获，计数器CNT清零，到了下降沿的时候，IC2捕获，此时计数器CNT的值被锁存到捕获寄存器CCR2中，到了下一个上升沿的时候，IC1捕获，计数器CNT的值被锁存到捕获寄存器CCR1中。其中CCR2测量的是脉宽，CCR1测量的是周期。

从软件上来说，用PWM输入模式测量脉宽和周期更容易，付出的代价是需要占用两个捕获寄存器。

1.2 输出比较应用

输出比较模式总共有8种，具体的由寄存器CCMRx的位OCxM[2:0]配置。我们这里只讲解最常用的PWM模式，其他几种模式具体的看数据手册即可。

1.2.1 PWM输出模式

PWM输出就是对外输出脉宽（即占空比）可调的方波信号，信号频率由自动重装寄存器ARR的值决定，占空比由比较寄存器CCR的值决定。

PWM模式分为两种，PWM1和PWM2，总得来说是差不多，就看你怎么用而已，具体的区别见表格 01。

表格 01 PWM1与PWM2模式的区别

下面我们以PWM1模式来讲解，以计数器CNT计数的方向不同还分为边沿对齐模式和中心对齐模式。PWM信号主要都是用来控制电机，一般的电机控制用的都是边沿对齐模式，FOC电机一般用中心对齐模式。我们这里只分析这两种模式在信号感官上（即信号波形）的区别，具体在电机控制中的区别不做讨论，到了你真正需要使用的时候就会知道了。

1.     PWM边沿对齐模式

在递增计数模式下，计数器从 0 计数到自动重载值（ TIMx_ARR 寄存器的内容），然后重新

从 0 开始计数并生成计数器上溢事件

图 014 PWM1模式的边沿对齐波形

在边沿对齐模式下，计数器CNT只工作在一种模式，递增或者递减模式。这里我们以CNT工作在递增模式为例，在中，ARR=8，CCR=4，CNT从0开始计数，当CNT

2.    PWM中心对齐模式

图 015 PWM1模式的中心对齐波形

在中心对齐模式下，计数器CNT是工作做递增/递减模式下。开始的时候，计数器CNT从 0 开始计数到自动重载值减1(ARR-1)，生成计数器上溢事件；然后从自动重载值开始向下计数到 1 并生成计数器下溢事件。之后从0 开始重新计数。

图 015是PWM1模式的中心对齐波形，ARR=8，CCR=4。第一阶段计数器CNT工作在递增模式下，从0开始计数，当CNTCCR时，OCxREF为无效的低电平，当CCR=>CNT>=1时，OCxREF为有效的高电平。

在波形图上我们把波形分为两个阶段，第一个阶段是计数器CNT工作在递增模式的波形，这个阶段我们又分为①和②两个阶段，第二个阶段是计数器CNT工作在递减模式的波形，这个阶段我们又分为③和④两个阶段。要说中心对齐模式下的波形有什么特征的话，那就是①和③阶段的时间相等，②和④阶段的时间相等。

中心对齐模式又分为中心对齐模式1/2/3 三种，具体由寄存器CR1位CMS[1:0]配置。具体的区别就是比较中断中断标志位CCxIF在何时置1：中心模式1在CNT递减计数的时候置1，中心对齐模式2在CNT递增计数时置1，中心模式3在CNT递增和递减计数时都置1。

1.3 定时器初始化结构体详解

标准库函数对定时器外设建立了四个初始化结构体，分别为时基初始化结构体TIM_TimeBaseInitTypeDef、输出比较初始化结构体TIM_OCInitTypeDef、输入捕获初始化结构体TIM_ICInitTypeDef和断路和死区初始化结构体TIM_BDTRInitTypeDef，高级控制定时器可以用到所有初始化结构体，通用定时器不能使用TIM_BDTRInitTypeDef结构体，基本定时器只能使用时基结构体。初始化结构体成员用于设置定时器工作环境参数，并由定时器相应初始化配置函数调用，最终这些参数将会写入到定时器相应的寄存器中。