stm32高级定时器基础知识

stm32高级定时器

高级定时器时基单元：

包含一个16位自动重装载寄存器 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。

一个8位的重复计数器 RCR，最高可实现40位的可编程定时。

STM32F103ZET6的高级/通用定时器的IO分配：

高级控制定时器功能框图

时钟源

高级控制定时器有四个时钟源：

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(ITRx)

内部时钟源

CK_INT来自于芯片内部，72M，

模式控制寄存器TIMx_SMCR的SMS位=000时，使用内部时钟。

外部时钟模式1

时钟信号输入引脚：

时钟信号来自于定时器的输入通道，共4个，分别为TI1/2/3/4，即TIMx_CH1/2/3/4。

使用哪一路信号由TIM_CCMRx的位CCxS[1:0]配置，CCMR1控制TI1/2，CCMR2控制TI3/4。

滤波器：

来自外部的时钟信号频率过高、混杂有高频干扰信号，需要用滤波器对信号重新采样，达到降频、去除高频干扰的目的。

由 TIMx_CCMRx 的位 ICxF[3:0]配置。

边沿检测：

输入信号来自于滤波器的输出，成为触发信号前，要进行边沿检测，决定是上升沿有效还是下降沿有效。

由 TIMx_CCER 的位 CCxP 和 CCxNP 配置。

触发选择：

使用外部时钟模式1时，有两个触发源，滤波后的定时器输入 1（TI1FP1）、滤波后的定时器输入2（TI2FP2）。

由 TIMxSMCR 的位 TS[2:0]配置。

从模式选择：

选则了触发源信号，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。

配置TIMx_SMCR的位SMS[2:0]=000，可选择外部时钟模式1。

使能计数器：

使能计数器开始计数，外部时钟模式1的配置完成。

使能计数器由TIMx_CR1的位CEN配置。

外部时钟模式2

时钟信号输入引脚：

时钟信号来自于定时器的输入通道TIMx_ETR，仅有1个。

外部触发极性：

来自ETR引脚的输入信号可选择为上升沿或者下降沿有效。

由TIMx_SMCR位ETP配置。

外部触发预分频器：

ETRP信号的频率不能超过TIMx_CLK（72M）的1/4。

触发信号的频率很高的情况下，须使用分频器降频。

由TIMx_SMCR的位ETPS[1:0]配置。

滤波器：

ETRP信号的频率过高或、混杂有高频干扰信号，要用滤波器对ETRP信号重新采样。

由TIMx_SMCR位ETF[3:0]配置。

fDTS由内部时钟CK_INT分频得到，由TIMx_CR1位CKD[1:0]配置。

从模式选择：

经滤波器滤波的信号，连接到ETRF引脚，触发信号成为外部时钟模式2的输入。

最终等于 CK_PSC，驱动计数器CNT计数。

TIMx_SMCR的位ECE为1，即可选择外部时钟模式2。

接下来配置TIMx_CR1的位CEN，使能计数器开始计数，完成外部时钟模式2的配置。

内部触发输入

使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器

高级控制定时器和通用定时器在内部连接在一起。

可实现定时器同步或级联。

主模式定时器可对从模式定时器执行复位、启动、停止、提供时钟。

控制器

包括触发控制器、从模式控制器、编码器接口。

触发控制器：

对片内外设输出触发信号，为其它定时器提供时钟、触发DAC/ADC转换。

从模式控制器：

控制计数器复位、启动、递增/递减、计数。

编码器接口：

编码器计数。

时基单元

时基单元包括四个寄存器：

计数器寄存器(CNT)、预分频器寄存器(PSC)、自动重载寄存器(ARR)、重复计数器寄存器(RCR)。前三个寄存器16位有效，TIMx_RCR寄存器8位有效。

预分频器PSC：

输入时钟CK_PSC，输出时钟CK_CNT。

输出时钟CK_CNT用来驱动计数器CNT计数。

设置预分频器PSC的值可得到不同的CK_CNT。

fCK_CNT=fCK_PSC/(PSC[15:0]+1)，实现1至65536分频。

计数器CNT：

三种计数模式：

递增计数模式、递减计数模式、递增/递减(中心对齐)计数模式。

递增计数模式：

计数器从0开始计数，每来一个CK_CNT脉冲，计数器加1，直到计数器的值=自动重载寄存器 ARR的值，计数器从0开始计数并生成计数器上溢事件。

若禁用重复计数器，计数器生成上溢事件时生成更新事件(UEV)。

若使能重复计数器，生成一次上溢事件，重复计数器内容减1，直到重复计数器内容=0 ，才会生成更新事件。

递减计数模式：

从自动重载寄存器ARR的值开始计数。

每来一个CK_CNT脉冲，计数器减1，直到计数器值=0。

然后，计数器又从自动重载寄存器ARR的值开始递减，并生成计数器下溢事件。

若禁用重复计数器，计数器生成下溢事件时生成更新事件(UEV)。

若使能重复计数器，生成一次下溢事件，重复计数器内容减1，直到重复计数器内容=0 ，才会生成更新事件。

递增/递减(中心对齐)计数模式：

从0开始递增计数，直到计数值=(ARR-1)值，生成计数器上溢事件。然后，从ARR值开始递减计数，直到计数值=1，生成计数器下溢事件。

然后又从0开始计数，循环。

每次发生上溢、下溢事件，都会生成更新事件。

自动重载寄存器ARR：

存放与计数器CNT比较的值。

两个值相等就递减重复计数器。

TIMx_CR1寄存器的ARPE位，控制自动重载影子寄存器功能。

ARPE位=1，自动重载影子寄存器有效。在事件更新时，才把TIMx_ARR值赋给影子寄存器。

ARPE位=0，修改TIMx_ARR值马上有效。

重复计数器RCR：

基本/通用定时器，发生上/下溢事件时，直接生成更新事件。

高级控制定时器多出了重复计数器。

定时器发生上溢、下溢事件时，递减重复计数器的值。

当重复计数器为0时，才会生成更新事件。

发生N+1个上溢、下溢事件(N 为 RCR 的值)时，产生更新事件。

输入捕获

可以对输入的信号的上升沿、下降沿、双边沿进行捕获。

测量输入信号的脉宽、测量PWM输入信号的频率和占空比。

捕获到信号的跳变沿时，把计数器CNT的值锁存到捕获寄存器CCR中。

将前后两次捕获到的CCR寄存器中的值相减，可以算出脉宽或频率。

捕获的脉宽的时间长度超过捕获定时器的周期，会发生溢出。

输入通道

需要被测量的信号，从定时器外部引脚TIMx_CH1/2/3/4进入，通常叫TI1/2/3/4。

输入滤波器和边沿检测器

输入的信号存在高频干扰，需要对输入信号进行滤波，进行重新采样。

采样的频率必须大于等于两倍的输入信号。

输入信号为1M，设置采样频率为2M，可以在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。

由CR1寄存器的位CKD[1:0]和CCMR1/2的位ICxF[3:0]配置滤波器。

采样频率fSAMPLE可以由fCK_INT和fDTS分频后的时钟提供。

fCK_INT是内部时钟，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、4分频。

边沿检测器，设置信号在捕获的时候是什么边沿有效，上升沿、下降沿、双边沿。

由CCER寄存器位CCxP和CCxNP决定。

捕获通道

捕获通道是图中的IC1/2/3/4，每个捕获通道都有对应的捕获寄存器CCR1/2/3/4。

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。

输入通道，用来输入信号。

捕获通道，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。

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，这就是PWM输入捕获，一路输入信号（TI1）占用两个捕获通道（IC1和IC2）。

只需测量输入信号的脉宽时，用一个捕获通道。

输入通道和捕获通道的映射关系，由寄存器CCMRx的位CCxS[1:0]配置。

预分频器

ICx的输出信号经过一个预分频器，决定发生多少个事件时进行一次捕获。

由寄存器CCMRx的位ICxPSC配置。

如果要捕获信号的每一个边沿，则不分频。

捕获寄存器

经过预分频器的信号ICxPS是最终被捕获的信号。

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，产生CCxI中断。

相应的中断位CCxIF（在 SR 寄存器中）被置位，通过软件或者读取CCR中的值可以将CCxIF清0。

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）。

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。

输出比较

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、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、PWM2八种模式。

具体使用哪种模式，由寄存器CCMRx的位OCxM[2:0]配置。

比较寄存器

计数器CNT的值跟比较寄存器CCR的值相等时，输出参考信号OCxREF的信号的极性就会改变。

OCxREF=1（高电平）称之为有效电平，OCxREF=0（低电平）称之为无效电平。

并且产生比较中断CCxI，相应的标志位CCxIF（SR 寄存器中）置位。

然后，OCxREF再经过一系列的控制，成为真正的输出信号OCx/OCxN。

死区发生器

在生成的参考波形OCxREF的基础上，插入死区时间，用于生成两路互补的输出信号OCx 、OCxN。

死区时间的大小，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。

带死区的PWM信号的应用，以半桥驱动电路为例。

半桥驱动电路中，Q1导通，Q2截止。

如果让Q1截止Q2导通，需要先让Q1截止一段时间后，再等一段时间才让Q2导通。

这段等待的时间就称为死区时间。

Q1关闭需要时间（由MOS管的工艺决定）。

Q1关闭之后，马上打开Q2，此时(一段时间内)相当于Q1和Q2都导通了，电路会短路。

所以需要死区时间。

带死区插入的互补输出，死区时间要根据MOS管的工艺来调节。

输出控制

参考信号OCxREF经过死区发生器之后，产生两路带死区的互补信号OCx_DT、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）

然后，两路带死区的互补信号进入输出控制电路。

如果没有加死区控制，进入输出控制电路的信号是OCxREF。

进入输出控制电路的信号，被分成两路。

一路是原始信号，一路是被反向的信号。

由寄存器CCER的位CCxP、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，由寄存器CCER的位 CxE/CxNE 配置。

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

输出引脚

输出比较的输出信号，最终通过定时器的外部IO输出，分别为CH1/2/3/4。

前面三个通道还有互补的输出通道CH1/2/3N。

断路功能

断路功能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，这与电机控制常用的H桥电路结构有关。

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。

断路和死区寄存器(TIMx_BDTR)的BKE位置1，使能断路功能。

可通过TIMx_BDTR寄存器的BKP位，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。

输入捕获应用

脉宽/频率测量示意图

测量频率

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，被锁存到捕获寄存器CCR中，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，再次被锁存到捕获寄存器CCR中，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，清除捕获记录标志。

利用value3和value1的差值，可以算出信号的周期（频率）。

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，被锁存到捕获寄存器CCR中，进入捕获中断。

在中断服务程序中记录一次捕获（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，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，可以在中断里面对溢出进行记录处理。

PWM输入模式

可以使用PWM输入模式测量脉宽和频率。

该模式是输入捕获的特例，只能使用通道1和通道2，通道3和通道4无法使用。

与上面只使用一个捕获寄存器测量脉宽和频率的方法相比，PWM输入模式需占用两个捕获寄存器。

使用PWM输入模式时，一个输入通道(TIx)会占用两个捕获通道(ICx)，所以，一个定时器使用PWM输入的时候最多只能使用两个输入通道(TIx)。

以输入通道TI1工作在PWM输入模式为例：

PWM信号由输入通道TI1进入，因为是PWM输入模式，信号被分为两路。

一路是TI1FP1，另一路是TI2FP2。

其中一路是周期，另一路是占空比。

作为触发输入的那一路信号，对应的就是周期，另一路对应占空比。

作为触发输入的那一路信号，还需设置极性，上升沿还是下降沿捕获。

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。

总之，选定输入通道，确定触发信号，设置触发信号的极性。

因为是PWM输入，另一路信号由硬件配置，无需软件配置。

当使用PWM输入模式时，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），当启动触发信号，开始进行捕获时，把计数器CNT复位清零。

PWM输入模式时序图如下。

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、IC2同时捕获，计数器CNT清零。

下降沿的时候，IC2捕获，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。

CCR2+1测量的是脉宽，CCR1+1测量的是周期。

CCR2和CCR1的值在计算占空比和频率时，都必须加1。

因为计数器是从0开始计数的。

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

输出比较应用

输出比较模式共有8种，由寄存器CCMRx的位OCxM[2:0]配置。

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、PWM2。

以PWM1模式为例。

以计数器CNT计数的不同方向，分为边沿对齐模式、中心对齐模式。

PWM信号主要用来控制电机，一般的电机控制用的是边沿对齐模式，FOC电机一般用中心对齐模式。

下面分析这两种模式信号波形的区别。

PWM边沿对齐模式

边沿对齐模式PWM1波形如下(ARR=8)

递增计数模式下，计数器从0计数到自动重装载值（TIMx_ARR寄存器的内容），然后重新从0开始计数，生成计数器上溢事件。

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。

这里以CNT工作在递增模式为例，上图，ARR=8，CCR=4，CNT从0开始计数.

当CNT<CCR，OCxREF为有效的高电平，同时，比较中断寄存器CCxIF置位。

CCR<=CNT<=ARR,OCxREF为无效的低电平。CNT又从0开始计数，并生成计数器上溢事件，循环往复。

PWM中心对齐模式

中心对齐模式PWM1波形如下(ARR=8)。

中心对齐模式，计数器CNT工作在递增/递减模式下。

开始时，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，生成计数器下溢事件。

然后从0开始重新计数。

上图，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CNT<CCR的值时，OCxREF为有效的高电平。

CCR<=CNT<ARR，OCxREF为无效的低电平。

第二阶段，计数器CNT工作在递减模式，从ARR的值开始递减。

CNT>CCR时，OCxREF为无效的低电平。

CCR=>CNT>=1时，OCxREF为有效的高电平。

把波形分为两个阶段，第一个阶段1，2是计数器CNT工作在递增模式的波形。

第二个阶段3，4是计数器CNT工作在递减模式的波形。

中心对齐模式下的波形特征：

1，3阶段的时间相等，2，4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。

由寄存器CR1位CMS[1:0]配置。

区别在于中断标志位CCxIF置1的条件。

模式1在CNT递减计数时置1，模式2在CNT递增计数时置1，模式3在CNT递增和递减计数时都置1。