定时器实验演示
129.5.1定时器实验演示
/*
* 整体目的：通过三个已经完成的工程预览 STM32 定时器的典型用途：
* 06TIM 用更新中断计时，07PWM 用比较通道生成 PWM，08IC 用输入捕获测量高电平宽度。
* 课程上下文：本节重点是观察现象和建立定时器功能地图，不是从头编写三个完整工程。
* 代码范围：以下仅摘录三个配套工程中直接体现实验行为的业务代码；
* CubeMX 初始化模板及 HAL/CMSIS 库内部实现不在本节逐行展开。
*/
/* ==================== CubeIDE/06TIM：周期中断与延后打印 ==================== */
volatile uint32_t G_TIM_Count = 0U; /* 保存 TIM1 更新次数；本工程每次更新为 1 秒。 */
volatile uint8_t G_UART_Flag = 0U; /* ISR 置位、主循环清零，用于把慢速串口输出移出中断。 */
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1); /* 开启 TIM1 计数并允许更新中断；仅初始化不会自动开始计数。 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback( /* HAL 确认更新中断后调用的周期完成回调。 */
TIM_HandleTypeDef *htim) /* 参数指出产生事件的定时器。 */
{ /* 定时器回调开始。 */
if (htim == &htim1) /* 只处理 TIM1，避免以后增加其他定时器时串扰。 */
{ /* TIM1 分支开始。 */
HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin); /* 每秒翻转一次 LED1；完整亮灭周期为 2 秒。 */
G_TIM_Count++; /* 更新上电秒计数。 */
if ((G_TIM_Count % 5U) == 1U) /* 在第 1、6、11……秒产生一次打印事件。 */
{ /* 五秒间隔事件分支开始。 */
G_UART_Flag = 1U; /* 只通知主循环，不在 ISR 中执行阻塞式串口发送。 */
} /* 五秒间隔事件分支结束。 */
if ((G_TIM_Count % 2U) == 0U) /* 每逢偶数秒触发一次 LED2 翻转。 */
{ /* 两秒间隔事件分支开始。 */
HAL_GPIO_TogglePin(LED2_GPIO_Port, LED2_Pin); /* 每 2 秒翻转 LED2，完整周期为 4 秒。 */
} /* 两秒间隔事件分支结束。 */
} /* TIM1 分支结束。 */
} /* 回调结束并返回中断处理流程。 */
if (G_UART_Flag == 1U) /* 主循环轮询 ISR 产生的打印事件。 */
{ /* 打印事件处理开始。 */
printf("MCU stm32 run time is %lus \n", /* 输出当前累计秒数；printf 已重定向到 USART1。 */
G_TIM_Count); /* 把 32 位无符号秒计数代入 %lu。 */
G_UART_Flag = 0U; /* 消费事件后清零，防止主循环重复打印同一事件。 */
} /* 打印事件处理结束。 */
/* ==================== CubeIDE/07PWM：呼吸灯与舵机 PWM ==================== */
uint8_t PWM_Value = 0U; /* 保存 0～199 的三角波相位。 */
uint8_t LED_PWM_Value = 0U; /* 保存写入 TIM3 比较寄存器的 LED 占空比值。 */
uint8_t SG_PWM_Value = 5U; /* 保存舵机 PWM 比较值，在 5～25 之间步进。 */
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); /* 启动 TIM3 通道 1 的硬件 PWM 输出。 */
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2); /* 启动 TIM3 通道 2，用相同比较值驱动另一负载。 */
HAL_TIM_PWM_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_1); /* 启动 TIM4 通道 1 的舵机控制 PWM。 */
PWM_Value++; /* 主循环每轮推进一次三角波相位。 */
PWM_Value = PWM_Value % 200U; /* 把相位限制在 0～199，随后重新回到 0。 */
if (PWM_Value > 99U) /* 后半程需要让亮度值从 100 逐渐下降。 */
{ /* 三角波下降段开始。 */
LED_PWM_Value = 200U - PWM_Value; /* 将 100～199 映射为 100～1。 */
} /* 三角波下降段结束。 */
else /* 前半程让亮度值随相位逐渐上升。 */
{ /* 三角波上升段开始。 */
LED_PWM_Value = PWM_Value; /* 将 0～99 直接作为比较值。 */
} /* 三角波上升段结束。 */
HAL_Delay(25U); /* 每 25 ms 更新一次占空比，使亮度变化可见且较平滑。 */
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, LED_PWM_Value); /* 更新 TIM3_CH1 占空比。 */
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, LED_PWM_Value); /* 同步更新 TIM3_CH2 占空比。 */
/* ==================== CubeIDE/08IC：输入捕获测量脉宽 ==================== */
volatile uint32_t ic_state = 0U; /* 0 等待上升沿，1 等待下降沿，2 表示一次测量完成。 */
volatile uint32_t period_count = 0U; /* 统计测量期间 TIM2 发生的溢出次数。 */
volatile uint32_t ic_count = 0U; /* 保存下降沿到来时 CCR2 捕获的计数值。 */
uint32_t us_count = 0U; /* 主循环计算出的高电平持续时间，单位约为微秒。 */
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); /* 启动 TIM2 更新中断，用于统计测量期间的计数器溢出。 */
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_2); /* 启动 PA1/TIM2_CH2 的输入捕获中断。 */
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback( /* 捕获通道检测到设定边沿后由 HAL 调用。 */
TIM_HandleTypeDef *htim) /* 参数指出发生捕获的定时器。 */
{ /* 输入捕获回调开始。 */
if (htim->Instance == TIM2) /* 仅处理 TIM2 的捕获事件。 */
{ /* TIM2 捕获分支开始。 */
if (ic_state == 0U) /* 第一个边沿应是高脉冲的上升沿。 */
{ /* 上升沿处理开始。 */
__HAL_TIM_SET_COUNTER(htim, 0U); /* 从上升沿开始把 CNT 清零，建立测量起点。 */
__HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY( /* 把下一次捕获边沿切换为下降沿。 */
&htim2, TIM_CHANNEL_2, /* 修改 TIM2 通道 2 的捕获极性。 */
TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING); /* 下一次捕获高电平结束时刻。 */
ic_state = 1U; /* 标记当前正在等待下降沿。 */
period_count = 0U; /* 清除上一次测量遗留的溢出次数。 */
ic_count = 0U; /* 清除上一次捕获值。 */
} /* 上升沿处理结束。 */
else /* 已有起点，本次边沿视为下降沿。 */
{ /* 下降沿处理开始。 */
ic_count = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim2, TIM_CHANNEL_2); /* 读取锁存在 CCR2 的 CNT。 */
__HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY( /* 为下一帧恢复上升沿捕获。 */
&htim2, TIM_CHANNEL_2, /* 仍配置 TIM2 通道 2。 */
TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING); /* 下一次先寻找新脉冲的起点。 */
ic_state = 2U; /* 通知主循环一次脉宽测量已经完成。 */
} /* 下降沿处理结束。 */
} /* TIM2 捕获分支结束。 */
} /* 输入捕获回调结束。 */
if (ic_state == 2U) /* 主循环发现测量完成后再计算并打印。 */
{ /* 测量结果处理开始。 */
us_count = ic_count + period_count * 65536U; /* 每次 16 位计数器溢出跨过 65536 个节拍。 */
printf("High level duration: %luus \n", us_count); /* 输出高电平宽度；1 MHz 计数时一拍约 1 μs。 */
ic_state = 0U; /* 清除完成状态，等待下一帧上升沿。 */
} /* 测量结果处理结束。 */
一、定时器
1.1 定时器基本使用
定时器可以理解为“由稳定时钟推动的自动计数器”。它不需要 CPU 在软件中不停加一，而是由片内硬件按固定节拍更新计数值；达到设定条件后，还可以置位状态标志、请求中断、翻转输出或锁存外部信号出现时的计数值。
flowchart LR
A[定时器时钟 f_TIM] --> B[预分频器 PSC]
B -->|得到计数节拍| C[计数器 CNT]
D[自动重装寄存器 ARR] --> C
C -->|计满并更新| E[更新事件 UEV]
E --> F[置位 SR.UIF]
F -->|DIER.UIE=1 且 NVIC 已使能| G[进入定时器中断]
E --> H[重新开始下一周期]
最基本的向上计数模式中，计数器从 0 数到 ARR，一共经历 ARR+1 个计数节拍。预分频器也按“寄存器值加 1”分频，因此更新周期为：
计数频率：f_CNT = f_TIM / (PSC + 1)
更新频率：f_UPDATE = f_TIM / [(PSC + 1) × (ARR + 1)]
更新周期：T_UPDATE = (PSC + 1) × (ARR + 1) / f_TIM
定时器中断与串口中断、ADC 中断的共同点是：外设先产生事件并置位标志，外设中断使能位和 NVIC 通道都打开后，CPU 才跳转到中断服务函数。掌握这条链路后，学习其他外设中断会容易很多。
1.1.1 定时器配置
以 51 单片机的软件 PWM 为例，可以让定时器每 10 ms 进入一次中断，在中断中维护 count 和 level：当 count < level 时输出有效电平，否则输出无效电平。一个 PWM 周期包含若干次定时中断，占空比由有效电平所占的计数次数决定。
定时中断节拍： |--10 ms--|--10 ms--|--10 ms--|...
软件计数 count： 0 1 2 ...
输出判定： count < level ? 有效 : 无效
这种方法原理直观，但每个节拍都占用 CPU。STM32 的通用和高级定时器带有输出比较/PWM 硬件，配置 PSC、ARR、CCR 和通道模式后，计数器与比较器可以自行产生波形，CPU 只需在需要改变频率或占空比时更新寄存器。
1.2 定时器的分类
STM32F103ZE 的常用定时器分为三类：
| 类别 | 本型号中的定时器 | 基本计时 | 输入捕获/输出比较/PWM | 高级电机控制 |
|---|---|---|---|---|
| 基本定时器 | TIM6、TIM7 | 支持 | 不支持 | 不支持 |
| 通用定时器 | TIM2、TIM3、TIM4、TIM5 | 支持 | 支持 | 不支持互补输出、死区和刹车 |
| 高级定时器 | TIM1、TIM8 | 支持 | 支持 | 支持互补输出、死区、刹车和重复计数 |
“高级”是在通用功能上增加电机控制能力，不代表 TIM1 只能做复杂任务。TIM1 也可以像本章实验一样，只使用内部时钟和更新中断完成普通的 1 秒定时。
不同 STM32F103 型号封装和资源规模不同，定时器数量也不完全相同。选型时应查对应型号的数据手册或在 CubeMX/CubeIDE 的外设列表中确认，不能把 ZET6 的资源数量直接套到 C8T6。
1.2.1 基本定时器
基本定时器的核心数据通路最短，适合产生周期性更新事件，也能为片内 DAC 等外设提供触发：
内部时钟
│
▼
[PSC 预分频] → [CNT 16位向上计数] ← [ARR 周期上限]
│
└──计满──> 更新事件 / DMA请求 / 中断请求
主要寄存器及作用如下：
| 寄存器 | 关键内容 | 初学阶段的理解 |
|---|---|---|
PSC | 预分频值 | 决定计数器每隔多久加一 |
CNT | 当前计数值 | 定时器此刻数到了哪里 |
ARR | 自动重装值 | 决定一个周期包含多少个计数节拍 |
DIER | UIE | 是否允许更新事件提出中断请求 |
SR | UIF | 是否已经发生更新事件 |
CR1 | CEN、ARPE | 是否开始计数、ARR 写入是否使用缓冲 |
EGR | UG | 软件产生一次更新事件，使预装载值立即生效 |
1.2.2 通用定时器
通用定时器在基本计数单元外增加了多个捕获/比较通道。通道前端可以对外部引脚进行选择、滤波和边沿检测；通道后端可以比较 CNT 与 CCR1~CCR4，生成输出比较或 PWM。
flowchart LR
A[TIx 外部引脚] --> B[输入选择与数字滤波]
B --> C[边沿检测]
C --> D[捕获 CNT 到 CCRx]
E[CNT] --> F[比较器]
G[CCRx] --> F
F --> H[OC/PWM 输出控制]
H --> I[CHx 引脚]
通用定时器通常支持向上计数、向下计数和中心对齐计数。输入捕获用于测量频率、周期或脉宽；输出比较用于在指定计数点改变输出；PWM 模式则把周期寄存器 ARR 与比较寄存器 CCR 配合起来生成重复脉冲。
1.2.3 高级定时器
高级定时器在通用定时器的基础上增加了互补输出、可编程死区、刹车输入、主输出使能和重复计数器。这些功能主要面向半桥、全桥、三相逆变器等功率电路。
以同一桥臂的上下两个 MOSFET 为例，如果二者在切换瞬间同时导通，会把电源直接短路。死区电路会在关闭一个管子后等待极短时间，再打开另一个管子；刹车输入则能在过流等故障发生时快速关断 PWM。普通 LED 调光不需要这些功能，但电机逆变控制经常需要。
1.3 定时器的应用
1.3.1 实验一
基础定时器实验使用 TIM1 每秒产生一次更新中断。回调函数完成三件短小的工作：
- 每次中断翻转 LED1。
- 全局秒计数
G_TIM_Count++。 - 到达指定秒数时设置串口打印标志，并按 2 秒条件翻转 LED2。
LED1 和 LED2 分别连接 PB5、PE5，板上电路为低电平点亮：
3.3 V
│
LED（阳极在上）
│
1 kΩ
│
PB5 / PE5（GPIO 灌电流）
GPIO=0：形成 3.3 V → LED → 电阻 → GPIO → GND 的电流，灯亮
GPIO=1：LED 两端压差接近 0，灯灭
这种“低有效”接法解释了为什么初始化输出高电平时灯默认熄灭。每 1 秒“翻转一次”表示电平每秒改变一次，完整的亮—灭周期是 2 秒；同理，LED2 每 2 秒翻转一次，完整闪烁周期是 4 秒。
串口发送比 GPIO 翻转慢得多，不应直接放在中断回调中。更合适的结构是中断只设置标志，主循环看到标志后再打印。
1.3.2 实验二
硬件 PWM 实验包含呼吸灯与直流电机调速。边沿对齐 PWM 的基本关系为：
f_PWM = f_TIM / [(PSC + 1) × (ARR + 1)]
占空比约为 CCRx / (ARR + 1)
呼吸灯通过缓慢改变 CCRx，让 LED 的平均电流逐渐变化。肉眼看不到快速开关，只会感到亮度渐变。
直流电机的工作电流和启停冲击电流通常远大于 GPIO 能承受的电流，不能把电机直接接到 STM32 引脚。常用的低边 MOSFET 驱动电路如下：
+Vmotor
│
[直流电机]
│───────|<|───────┐
│ 续流二极管 │
│ │
D │
STM32 PWM ──Rg── G N-MOSFET │
│ S │
Rpd │ │
│ └──── GND ────────┘
GND
STM32 GND 与电机电源 GND 必须共地。
二极管正常工作时反向截止；MOSFET 关断时为电机电感电流提供回路。
PWM 高电平使 MOSFET 导通，低电平使其关断。改变占空比会改变电机获得的平均电压和转矩。选管时还要确认逻辑电平栅极、电流能力、导通电阻和散热，而不是只看耐压。
1.3.3 实验三
输入捕获实验用 STM32 测量 51 单片机输出的舵机控制脉冲。配套 08IC 工程使用 TIM2 通道 2，对应 PA1；预分频值 71 把 72 MHz 定时器时钟变为 1 MHz，因此 CNT 每增加 1 代表 1 μs。
sequenceDiagram
participant S as 51单片机舵机信号
participant P as PA1/TIM2_CH2
participant T as TIM2 CNT/CCR2
participant C as 程序
S->>P: 上升沿
P->>T: 捕获当前CNT并切换为下降沿
C->>T: 将CNT清零
S->>P: 下降沿
P->>T: 把CNT锁存到CCR2
T->>C: 捕获中断，读取高电平宽度
舵机信号常以约 20 ms 为一帧，高电平宽度常见为 0.5 ms、1.0 ms、1.5 ms、2.0 ms、2.5 ms，对应不同目标角度。1.5 ms 是 1500 μs，不是 11500 μs。
硬件连接时，信号线接 PA1，两个控制板必须共地。STM32 只测量控制脉冲，不应把舵机电机电流引入 PA1。若计时期间 CNT 发生溢出，只读取单次 CCR 差值会得到错误结果；可靠实现需要统计更新溢出次数，或选择足够长的计数周期。08IC 使用 ARR=65535、1 μs 计数节拍，一个周期为 65.536 ms，足以覆盖正常的 0.5~2.5 ms 舵机高电平。
1.4 思维导图
mindmap
root((STM32定时器))
基本计时
时钟源
PSC预分频
CNT计数
ARR周期
更新中断
通用通道
输入捕获
输出比较
PWM输出
编码器接口
高级控制
互补输出
死区
刹车
重复计数
本章实验
1秒定时与运行时间
呼吸灯和电机PWM
舵机脉宽测量
理解定时器时可以始终抓住两条主线：一条是“时钟经过 PSC 推动 CNT，CNT 与 ARR 决定周期”；另一条是“通道把 CNT 与引脚信号或 CCR 联系起来”。中断、PWM 和输入捕获，都是在这两条主线上增加不同的事件与硬件通路。