【话说定时器系列】之七：STM32定时器比较输出话题

2023-03-03 来源：zhihu

我们知道，STM32定时器除了基本计数定时功能外，还对外拓展了输入、输出通道，从而可以实现输入捕捉、比较输出功能。比较输出【Compare Output】功能：定时器通过对预设的比较值与计数器的值做匹配比较之后，并依据相应的输出模式从而实现各类输出。如PWM输出、电平翻转、单脉冲输出、强制输出等。一般来讲，STM32的通用定时器和高级定时器都具有比较捕获功能，不同的定时器可能通道数量上有差异。

或者，我们可以使用比较输出功能来感知或提示某个时间段已经过去了。这个不难理解，因为比较输出的基本特征是计数器CNT的值与比较寄存器CCR的值做比较，计数器数据变化意味着时间的流逝，当计数器记到跟比较值相等或相匹配时，也就表示相应时间段的过去。具体到STM32定时器，在比较输出模式下，当捕获比较单元监测到计数器CNT的值与CCR寄存器的数字匹配时，将根据相应的比较输出模式实现相应输出。比较输出功能主要靠捕捉比较单元实现，同时定时器输出单元与时基单元协同配合。

捕捉比较单元有个重要的寄存器，捕捉比较寄存器CCR，它由影子寄存器/预装载寄存器组成。用户访问时访问预装寄存器。预装载功能可开启或关闭。由OCxPE@TIMx_CCER控制。至于什么时候需要开、什么时候需要关闭前面多次提到过。总之需要用户修改的预装数据立即生效时将预装功能关闭，希望用户修改的数据不影响当前周期的计数或波形输出时，我们就打开其预装功能。

比较输出的大致流程以及几个术语【OCxREF 、OCx 、输出极性】

当定时器的比较输出单元检测到计数器CNT的值与捕捉比较寄存器CCR的值发生匹配事件时，定时器的比较输出单元会根据比较输出模式输出相应的信号，该信号我们称之为中间参考信号，即OcxREF信号。

该OCxREF源于输出模式控制器，并硬件约定高电平为有效信号，即有效状态所对应的信号。它经过极性选择后，再经过输出控制电路输出到管脚。当极性选择位CCxP=0时，高电平作为Ocx的有效输出信号，当CCxP=1时，低电平作为Ocx的有效输出。

也就是说，OCXref信号只是个中间参考信号，并非最终输出信号。最终输出端OCX的active state【有效状态】/inactive state【无效状态】所对应的电平取决于极性选择控制位CCxP/CCxNP。

比方我们以通道1为例：

任一时刻计数器的值与CCR的比较结果，结合相应的比较输出模式决定了中间参考信号OC1REF的电平，而最终输出端OC1的输出电平取决于极性选择CC1P位的配置。即对于非互补输出时 Ocx =OCxREF + 极性【+ 表示结合的意思】

当然，如果是高级定时器的互补输出，最后的输出电平除了与极性选择有关外，输出波形还跟插入的死区有关。即对于互补输出时 Ocx =OCxREF + 极性 + 死区

比较输出相关事件

当核心计数器的值CNT与比较寄存器CCR 的数值匹配时发生比较输出事件
相应通道的比较输出标志位CCxIF@TIMx_SR被置位
触发比较中断（如果CCxIE@TIMx_DIER被置位使能）
触发DMA请求（CCxDE@TIMx_DIER CCDS@TIMx_CR2 使能允许）
比较输出事件也可以软件方式产生。通过操作TIMx_EGR@CCxG位来实现

对于这些比较输出有关的事件，我们也需做到心中有数。因为在我们的定时器应用中，往往需要基于相关事件来开展我们的应用开发。比方基于比较输出事件，做脉冲波形频率或占空比的变更、做脉冲个数的统计、做DMA请求的触发等待等等，不一而足。

另外，对于 CCRx 影子寄存器的预装载功能可以软件开启或关闭 (OCxPE@TIMx_CCMR)也应该清楚，以便我们在定时器的应用中根据具体应用来打开或关闭CCRx寄存器的预装功能，前面有做个相关应用案例的分享。

输出比较模式概览

总的来讲，这几个比较输出模式，我们有必要对它们的各自输出特征做基本了解，它是我们做比较输出应用时的基础。比方不同比较输出模式，结合不同的计数模式，相应的输出特征是什么。

边沿对齐PWM输出波形示例【Up Counting + PWM mode1】

中心对齐PWM输出波形示例【Center aligned Mode + PWM1】

PWM输出频率的计算

定时器比较输出最常见的应用就是PWM输出，即脉宽调制输出。这里简单介绍下PWM输出波形参数的计算。

以计数器向上计数、PWM1为例：

PWM输出方波信号，信号的频率是由TIMx的计数时钟频率和TIMx_ARR这个寄存器所决定。输出信号的占空比由TIMx_CRRx寄存器和TIMx_ARR这个寄存器的值所确定。
占空比=(TIMx_CRRx/（TIMx_ARR+1）)*100%
F_pwm = CK_PSC/((PSC + 1)*(ARR + 1))

以中央对齐计数、PWM1为例：

占空比=(TIMx_CRRx/（TIMx_ARR）)*100%
F_pwm = CK_PSC/((PSC + 1)*ARR )

单脉冲输出模式是定时器比较输出模式的一种特例。

原理：计数器启动后，在下一个更新事件来临之前的时间段内实现固定个数的脉冲输出。当下一个更新事件来临时计数器停止计数。输出的脉冲个数可以一个或几个。如果是通用计数器就是1个，如果是高级定时器，脉冲个数与RCR数值和计数模式有关。

实现方式：使用OC比较输出或PWM输出模式。

计数器的启动可以通过自身软件使能启动，也可以将定时器配置在触发从模式经过触发启动。

高级定时器的互补输出及死区的插入：

这里所说的互补输出，特指高级定时器TIM1或 TIM8通过其专门的互补通道输出互补信号。即每一对互补通道，共用相同的输出模式和同一通道比较寄存器CCR来输出互补信号。

这里要提醒的是，这对互补信号的每一路都可以独立做输出极性配置，在极性选择前二者一定是互补的，但经过极性选择后是否还是互补波形取决于二者的极性选择情况。如果极性选择一致，即都选择高电平做为有效信号或者都选择低电平做为有效信号，这时互补通道的最终输出【OCX/OCXN】就是互补信号。如果二者的极性选择不一致，最终的互补输出波形则是同相的，而不是互补信号。对于我们用户来讲，具体做怎样的极性选择，取决于实际应用需求。

我们常常使用互补输出信号来驱动电机桥臂。电机的各个桥臂由功率器件组成，比如IGBT。实际应用中，每一相的上下两个桥臂不可以同时导通，否则电源会通过上下两个桥臂产生短路情况。一般来讲，每组桥臂的上下臂呈互开关驱动系，即上臂导通，下臂截止，反之亦然。但由于那些晶体管的开、关动作本身会有时延问题，而且不同晶体管开关动作的延时也有差异。鉴于此,为了避免上下臂同时导通的隐患，在输出控制信号中额外插入一个时段，保证让上下臂都呈截止状态，这个时段就是死区。对于高级定时器的互补输出通道，可以通过相关寄存器配置即可实现死区控制。不难看出，死区的插入是以牺牲有效输出为代价来保障电机驱动电路的安全性，所以该参数的设置除了考虑安全性外，也要考虑合理性。