STM32定时器US延时

25.1 关于定时器

25.1.1 定时器分类

STM32中有众多定时器，如图 25.1.1 所示。按所处的位置可分为核内定时器和外设定时器。核内定时器就是前面 “第11章基础重点—SysTick定时器”介绍的SysTick定时器，该定时器位于Cortex-M3内核中。外设定时器由芯片半导体厂商设计，如STM32系列，包含常规定时器和专用定时器。常规定时器是本章重点介绍的介绍的内容，专用定时器在后面几章讲解。

SysTick定时器

SysTick定时器前面已经详细介绍了，主要用于系统精确延时，不占用其它定时器。在多任务操作系统中，为系统提供时间基准。

看门狗定时器

看门狗定时器主要用于监控系统的运行状态，当系统受外界干扰，程序脱离正常的执行流程时，看门狗将复位系统，尝试恢复正常状态。

看门狗也是定时器，启动后便开始计数，达到计数阈值则复位系统。STM32内置了两个看门狗定时器，即独立看门狗（IWDG）和窗口看门狗（WWDG）。该部分内容，后面章节再详细讲解。

常规定时器

STM32F1系列共用8个定时器，2个基本定时器（TIM6、TIM7）、4个通用定时器（TIM2、TIM3、TIM4、 TIM5）、2个高级定时器（TIM1、TIM8），三者区别如表 25.1.1 所示。

基础定时器最简单，就只是普通的计数、定时功能。通用定时器在基础定时器的功能上，增加了输入捕获和输出比较等功能。高级定时器在通用定时器的功能上，又增加了三相六步电机接口，具有刹车（断路）、死区时间控制等功能，主要用于电机控制。

25.1.2 定时器结构

以通用定时器为例，其结构框架可看作五部分，如图 25.1.2 所示。

①时钟源：通用定时器的时钟源有四个，分别为内部时钟（CK_INT）、外部触发输入（ETR）、内部触发输入（ITRx，x=0_{3）、外部捕获引脚（TixFPy，x=1}4，y=1~2）。

大多数情况下，都将内部时钟作为时钟源，即来自RCC的TIMxCLK。由前面“图 9.1.1 时钟树”可知，TIM2_{7挂接在APB1下，TIM1和8挂接在APB2，若APBx预分频等于一，则APBx=TIMxCLK，否则TIMxCLK=APBx*2。假设当前系统时钟为72MHz（即AHB=72MHz），如果此时APB1预分频系数为2（即APB1=36MHz）,则TIM2}7的时钟为72MHz；如果此时APB2预分频系数为1（即APB2=72MHz）,则TIM1和8的时钟为72MHz。

②控制器：包含触发控制器、从模式控制器和编码器接口。触发控制器用于为其它定时器、DAC/ADC提供触发信号。从模式控制器用于控制计数器复位、使能、计数方式等。编码器接口用于编码器计数。

③计数核心：包含三个寄存器：预分频器（PSC）、计数器（CNT）、自动装载寄存器（ARR）。

PSC预分频的范围为0~65535，用于将CK_PSC的时钟进行分频，输出CK_CNT脉冲供计数器计数。
CNT计数器的范围为0~65535，可以向上计数、向下计数或向上/向上双向计数。当计数值达到设定值时，会产生溢出事件，发出中断或DMA请求，然后再由自动装载寄存器进行重新加载或更新。
ARR自动装载寄存器用来存储预先设定的值，在每次计数器溢出事件后，自动将设定的值重新装载到计数器中。

定时器的定时时间主要取决于预分频系数和定时周期，计算公式为：

假设当前系统时钟频率为72MHz，APB1二分频为36MHz，TIMxCLK则为72MHz。预分频系数任意取一值，假设为PSC=10000-1，自动装载器值假设为ARR=7200-1，则此时定时器定时为：

即，定时器每间隔1s，将产生一次溢出事件，产生中断。

④输入捕获：可实现对输入信号的上升沿、下降沿、双边沿的变化进行捕获（采样或存储），通常用于输入信号的脉宽、频率、占空比的测量。比如后面红外遥控实验中，红外接收头将收到的红外遥控信号转化为脉冲信号，利用输入捕获对脉冲信号进行解析，即可得知是哪一个按键发出的遥控信号。具体的使用方法，在后续红外遥控章节介绍。

⑤输出比较：将计数器当前计数值和设定值进行比较，根据比较结果输出高电平、低电平、翻转等，通常用于波形的输出。比如后面PWM实验中，将通过定时器产生PWM，控制LED灯亮度，同理也可以控制电机转速等。

25.2 硬件设计

定时器为MCU内部资源，常与其它外设配合使用，不涉及新增硬件设计。

25.3 软件设计

25.3.1 软件设计思路

实验目的：本实验通过使用MCU的通用定时器TIM2，实现us延时，通过开发板LED灯或示波器/逻辑分析仪检验实验效果。

初始化TIM相关参数：设置时钟、工作方式等；
实现延时函数；
主函数编写控制逻辑：翻转LED，观察效果；
本实验配套代码位于“5_程序源码\17_定时器—us延时\”。

25.3.2 软件设计讲解

TIM初始化
使用任何外设资源，都需要先考虑使能时钟。与前面的示例一样，在一开始就使用“SystemClock_Config()”配置好了系统时钟和各APB分频。TIM2是挂接在APB1上，这里将APB1二分频，此时TIM2的时钟为2*APB1，即72MHz。

接着设置TIM2的相关参数，如代码段 25.3.1 所示。
代码段 25.3.1 定时器初始化（driver_timer.c）

/*
* 定义全局变量
*/
TIM_HandleTypeDef htim;
/*
* 函数名：void TimerInit(void)
* 输入参数：
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：初始化定时器
*/
void TimerInit(void)
{TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
// 定时器基本功能配置
htim.Instance = TIM2; // 使用定时器 2
htim.Init.Prescaler = 72-1; // 预分频系数 PSC=72-1(范围：0~0xFFFF)
// 72MHz 经过 72 分频后,定时器时钟为 1MHz,即定时器计数 1 次的时间，刚好为 1us
htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数
htim.Init.Period = 0; // 自动装载器 ARR 的值 (范围：0~0xFFFF)
htim.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; // 时钟分频(与输入采样相关)
//htim.Init.RepetitionCounter = 0; // 重复计数器值,仅存在于高级定时器
htim.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE; // 不自动重新装载
if (HAL_TIM_Base_Init(&htim) != HAL_OK)
{Error_Handler(); }
// 定时器时钟源选择
sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL; // 选用内部时钟作为定时器时钟源
if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
{Error_Handler(); } }
/*
* 函数名：void HAL_TIM_Base_MspInit(SPI_HandleTypeDef *hspi)
* 输入参数：htim-TIM 句柄
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：使能 TIM 时钟
*/
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{if(htim->Instance==TIM2)
{__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE(); // 使能 TIM2 的时钟
} }

18行：选择配置哪一个定时器；
19行：设置定时器时钟预分频系数PSC，这里设置为72-1，则72MHz经过72分频后,定时器时钟为1MHz，
即定时器计数1次的时间，刚好为1us；
21行：设置定时器计数方式，支持五种计数方式：
- 向上计数模式（TIM_COUNTERMODE_UP）：计数器从0向上计数（递增）到自动装载值ARR，随后再次回到0开始计数，并产生一个计数器向上溢出事件
- 向下计数模式（TIM_COUNTERMODE_DOWN）：计数器从自动装载值ARR向下计数（递减）到0，随后再次回到自动装载值开始计数，并产生一个计数器向下溢出事件；
- 中央对齐模式1/2/3计数器（TIM_COUNTERMODE_CENTERALIGNED1/2/3）：计数器从0开始计数到自动装载值ARR-1，并产生一个计数器溢出事件，而后再向下计数到0+1，并产生一个计数溢出事件，随后再向上计数；
22行：设置自动装载器ARR的值，这里设置为任意，后面代码再修改；
23行：设置时钟分频，用于计数器工作时滤除高频干扰，本实验不涉及，任意即可；
24行：设置重复计数器值，仅存在于高级定时器，这里使用的TIM2为通用定时器，不涉及；
25行：设置是否定时器自动重新装载，本实验不需要自动装载，原因后续代码讲解；
27~30行：将定时器按基本功能初始化，同时该函数会调用“HAL_TIM_Base_MspInit()”进行硬件相关初始化；
46-51行：设置内部时钟作为定时器时钟源；
47~53行：覆写“HAL_TIM_Base_MspInit()”，使能TIM2时钟；

本实验想实现us级的延时，考虑到延时时间太短，如果使用中断，会反复进中断，导致无法正常执行其它代码。因此本实验不使用中断，直接操作寄存器设置定时器加载值，如代码段 25.3.2 所示。

代码段 25.3.2 延时函数实现（driver_timer.c）

/*
* 函数名：void us_timer_delay(uint16_t t)
* 输入参数：t-延时时间 us 范围-0~65535us
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：定时器实现的延时函数，延时时间为 t us，为了缩短时间，函数体使用寄存器操作
*/
void us_timer_delay(uint16_t t)
{uint16_t counter = 0;
__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim, t); // 设置定时器自动加载值
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim, counter); // 设置定时器初始值
HAL_TIM_Base_Start(&htim); // 启动定时器
while(counter != t) // 直到定时器计数从 0 计数到 t 结束循环,刚好 t us
{counter = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim); // 获取定时器当前计数
}
HAL_TIM_Base_Stop(&htim); // 停止定时器
}
/*
* 函数名：void ms_timer_delay(uint16_t t)
* 输入参数：t-延时时间 ms 范围-0~65535ms
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：定时器实现的延时函数，延时时间为 t ms
*/
void ms_timer_delay(uint16_t t)
{int i = 0;
for(; i<t; i++) {us_timer_delay(1000); } }

11行：使用HAL库提供的“__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD()”直接设置ARR寄存器的值；前面设置定时器时钟，使其每计数1次，刚好为1us，因此这里要t us，设置ARR为t，即定时器从0计数到t，刚好t us；
12行：使用HAL库提供的“__HAL_TIM_SET_COUNTER ()”直接设置CNT计数器的值，保证定时器从0开始计数；
13行：启动定时器；
14~17行：此时定时器变从0到t开始计数，使用“__HAL_TIM_GET_COUNTER()”获取当前CNT计数器的值，当CNT计数器的值等于t时，时间经历了0到t个1us，实现了延时t us；
18行：停止定时器，无需自动重新装填ARR值；
28~36行：因为实现原理的限制，“us_timer_delay()”最多能延时65535us，即65ms多点，如果想要秒级的延时，需要再封装ms的延时；

主函数控制逻辑
在主函数中，先初始化定时器和LED灯，通过LED间歇1s闪烁的效果，粗略感受代码和实验现象是否一致，如代码段 25.3.3 所示。

代码段 25.3.3 主函数控制逻辑（main.c）

// 初始化定时器
TimerInit();
// 在 windows 下字符串\n\r 表示回车
// 如果工程在编译下面这句中文的时候报错，请在“Option for target”->"C/C++"->"Misc Controls"添加“ --locale=english”
printf("**********************************************\n\r");
printf("-->百问科技 www.100ask.net\n\r");
printf("-->定时器 us 延时实验\n\r");
printf("**********************************************\n\r");
// 初始化 LED
LedGpioInit();
while(1) {/* 通过延时一段时间让 LED 亮灭实现 LED 闪烁，可以通过示波器打 LED 的引脚反转周期，精确看时间是否与设置的一致*/
RLED(ON); // 点亮 LED
ms_timer_delay(1000);; // 延时 1ms*1000=1s
RLED(OFF); // 熄灭 LED
ms_timer_delay(1000); // 延时 1ms*1000=1s
}

25.4 实验效果

本实验对应配套资料的“5_程序源码\17_定时器—us延时\”。打开工程后，编译，下载，可以看到LED红色灯，间歇1秒闪烁。

如果读者想精确一点的测试，可参考前面“第11章基础重点—SysTick定时器”的测试方法，修改主函数代码，使用示波器或逻辑分析仪测试。

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