微機(jī)原理與嵌入式接口技術(shù)課件：定時(shí)器與計(jì)數(shù)器

定時(shí)器與計(jì)數(shù)器6.1STM32的時(shí)鐘系統(tǒng)6.2定時(shí)器6.3STM32的通用定時(shí)器組習(xí)題6

本章要點(diǎn)

☆時(shí)鐘系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)，STM32降低處理器功耗和電磁干擾的時(shí)鐘方法

☆STM32定時(shí)器的種類(lèi)、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

☆STM32定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)、脈寬及周期測(cè)量、PWM輸出等的工作原理和使用方法

6.1

STM32的時(shí)鐘系統(tǒng)

時(shí)鐘是所有計(jì)算機(jī)的脈搏。處理器在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下完成指令讀取、譯碼、執(zhí)行以及狀態(tài)變換等動(dòng)作；外設(shè)在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下完成串口數(shù)據(jù)收/

發(fā)、A/D或D/A轉(zhuǎn)換、定時(shí)器計(jì)數(shù)等工作。

6.1.1

32

位處理器時(shí)鐘系統(tǒng)

51

單片機(jī)采用石英晶體和振蕩電路構(gòu)成的時(shí)鐘模塊，來(lái)為系統(tǒng)提供時(shí)鐘脈沖。此類(lèi)時(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出時(shí)鐘的頻率取決于石英晶體的諧振頻率，且只有單一頻率時(shí)鐘輸出，常見(jiàn)的有6

MHz、8

MHz、12

MHz

和24

MHz

等。受加工工藝等因素影響，高頻石英晶體成本較高，對(duì)需要頻率為72

MHz（STM32Ｆ103ｘｘ系列）或高達(dá)168

MHz

時(shí)鐘信號(hào)的處理器（如STM32F4ｘ7

系列），常以鎖相環(huán)（技術(shù)把低頻時(shí)鐘信號(hào)升頻/

倍頻到一個(gè)較高頻率，基于PLL技術(shù)的時(shí)鐘系統(tǒng)框圖如圖6.1

所示。圖6.1

PLL系統(tǒng)組成框圖

以此為基礎(chǔ)，為滿(mǎn)足低功耗、外設(shè)日益多樣化的要求，現(xiàn)代處理器（如STM32Ｆ103ｘｘ）時(shí)鐘系統(tǒng)框圖如圖6.2

所示，主要由振蕩器（或信號(hào)源）、倍頻用鎖相環(huán)PLL以及分頻器等組成。上電復(fù)位后，硬件電路在檢測(cè)到振蕩器工作穩(wěn)定后輸出時(shí)鐘信號(hào)Ref＿Clk，Ref＿Clk經(jīng)PLL被9

倍頻到一個(gè)滿(mǎn)足處理器運(yùn)行需要的頻率———Sys＿Clk（72

MHz），供給處理器內(nèi)核以及外設(shè)。針對(duì)外設(shè)不同的工作速度需求，可以通過(guò)合理的分頻比設(shè)置，把Sys＿Clk降低到一個(gè)合適的頻率供外設(shè)使用。圖6.2

STM32Ｆ103ｘｘ時(shí)鐘系統(tǒng)框圖

6.1.2

STM32處理器時(shí)鐘系統(tǒng)框圖

STM32片內(nèi)除ARMCortex-M3

內(nèi)核，還有眾多用途各異的外設(shè)，既有需要高速時(shí)鐘的外設(shè)，如48

MHz

全速USB2.0

模塊，也有工作頻率低至32

kHz

的RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊）以及部分閑置未用外設(shè)，對(duì)此STM32采用圖6.3

所示時(shí)鐘管理系統(tǒng)，說(shuō)明見(jiàn)表6.1。

由圖6.3

可見(jiàn)，STM32時(shí)鐘系統(tǒng)采用多時(shí)鐘源、多PLL、多分頻器（預(yù)分頻器AHB、APB1

和APB2

以及眾多的外設(shè)分頻器）和可門(mén)控時(shí)鐘輸出的結(jié)構(gòu)，因而未被使用的功能、端口及外設(shè)模塊的時(shí)鐘可不使能，降低了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗。圖6.3

STM32時(shí)鐘管理系統(tǒng)

其次，除USB、RTC、IWDG

等少數(shù)幾個(gè)外設(shè)外，處理器內(nèi)核及其他外設(shè)的時(shí)鐘都是基于SysＣlk，主要有：

6.1.3

STM32時(shí)鐘源

1.

高速外部時(shí)鐘（HSE）

HSE有外接石英晶體/

陶瓷諧振器和信號(hào)源這兩種獲取時(shí)鐘信號(hào)的模式，見(jiàn)表6.2。

外接信號(hào)源（又稱(chēng)HSE旁路模式）：此模式下，由OSC＿IN引腳接入外部時(shí)鐘信號(hào)（頻率最高50

MHz）。

外接石英晶體/

陶瓷諧振器（HSE晶體）：OSC＿IN

和OSC＿OUT引腳接石英晶體或陶瓷諧振器（頻率3～25

MHz）。

2.

高速內(nèi)部時(shí)鐘（HSI）

無(wú)需任何外部器件，HSI

時(shí)鐘信號(hào)可由內(nèi)部8

MHz

的RC振蕩器生成。它的啟動(dòng)時(shí)間比HSE晶體振蕩器短，但頻率精度較差。

RC振蕩器原理決定了即使在出廠時(shí)按1％（25℃）精度對(duì)RC振蕩器的頻率進(jìn)行了校準(zhǔn)，電壓或環(huán)境溫度變化仍將影響RC振蕩器的頻率。

3.

鎖相環(huán)（PLL）

在使能每個(gè)PLL之前必須完成PLL的配置（選擇時(shí)鐘源、預(yù)分頻系數(shù)和倍頻系數(shù)等），并且應(yīng)該在輸入時(shí)鐘穩(wěn)定后才能將其使能。

在切換主PLL（PLLMUL）輸入時(shí)鐘源時(shí)，必須先確定新時(shí)鐘源（即設(shè)置時(shí)鐘配置寄存器RCC＿CFGR相應(yīng)的PLLSRC），之后才能關(guān)閉原來(lái)的時(shí)鐘源。

4.

低速外部時(shí)鐘（LSE）

LSE

時(shí)鐘的產(chǎn)生方式類(lèi)似于HSE時(shí)鐘，參見(jiàn)表6.2。

外接信號(hào)源（LSE

旁路）：OSC32＿IN引腳外接一個(gè)32.768

kHz

的時(shí)鐘源。備份域控制寄存器RCC＿BDCR的LSEBYP和LSEON位來(lái)啟用這個(gè)模式。

外接石英晶體/

陶瓷諧振器：OSC32＿IN和OSC32＿UOT引腳接32.768

kHz

石英晶體/

陶瓷諧振器。LSE

晶體振蕩器經(jīng)RCC＿BDCR

的LSEON

位啟動(dòng)和關(guān)閉，LSERDY位指示晶體振蕩器是否穩(wěn)定。

5.

低速內(nèi)部時(shí)鐘（LSI）

LSI

時(shí)鐘由片內(nèi)RC振蕩器（停機(jī)和待機(jī)模式下仍然運(yùn)行）驅(qū)動(dòng)，可作為獨(dú)立看門(mén)狗和自動(dòng)喚醒單元時(shí)鐘。

LSI

時(shí)鐘頻率約40ｋHz（30～60ｋHz

范圍內(nèi)）。LSI

振蕩器由時(shí)鐘控制狀態(tài)寄存器RCC＿CSR的LSION位來(lái)啟動(dòng)或關(guān)閉，LSIRDY

位指示其是否穩(wěn)定。

注意：只有大容量和互聯(lián)型產(chǎn)品才可以進(jìn)行LSI

校準(zhǔn)。

6.1.4

SYSCLK時(shí)鐘源切換

系統(tǒng)復(fù)位后，HSI

時(shí)鐘被選為系統(tǒng)時(shí)鐘。

SYSCLK時(shí)鐘源切換：只有當(dāng)被選用的目標(biāo)時(shí)鐘源準(zhǔn)備就緒即已穩(wěn)定，從一個(gè)時(shí)鐘源到另一個(gè)時(shí)鐘源的切換才會(huì)發(fā)生；當(dāng)時(shí)鐘源被直接或通過(guò)PLL間接作為系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，它將不能被停止。

6.1.5時(shí)鐘安全系統(tǒng)（CSS）

時(shí)鐘安全系統(tǒng)（CSS）被軟件激活后，一旦HSE振蕩器穩(wěn)定則有一個(gè)監(jiān)測(cè)HSE狀態(tài)的時(shí)鐘監(jiān)視器被硬件使能，在監(jiān)測(cè)到HSE失效后又被硬件關(guān)閉。

注意：必須在NMI中斷函數(shù)中通過(guò)設(shè)置時(shí)鐘中斷寄存器RCC＿CIR的CSSC位來(lái)清除CSS中斷。否則，NMI將不斷被執(zhí)行。

6.1.6時(shí)鐘輸出

在對(duì)GPIO端口進(jìn)行相應(yīng)配置后，STM32處理器允許經(jīng)MCO引腳輸出時(shí)鐘信號(hào)。SY?SCLK、HSI、HSE和PLLｘ（或PLLｘ/2）共四類(lèi)時(shí)鐘信號(hào)可被選作MCO輸出時(shí)鐘源，具體選擇由時(shí)鐘配置寄存器RCC＿CFGR

中的MCO［2：0］控制。

6.1.7

STM32時(shí)鐘初始化

由前述可知，STM32系統(tǒng)運(yùn)行性能取決于內(nèi)核時(shí)鐘頻率，其穩(wěn)定性、可靠性、低功耗以及EMI

也取決于時(shí)鐘系統(tǒng)，正確、合理地進(jìn)行時(shí)鐘系統(tǒng)初始化是保證整個(gè)系統(tǒng)成功運(yùn)行的前提。

STM32時(shí)鐘系統(tǒng)的初始化包括兩部分的內(nèi)容：

（1）確定SYSCLK

時(shí)鐘源及頻率：依據(jù)處理器系列確定SYSCLK最高頻率，再結(jié)合性能、用戶(hù)需求和功耗要求等進(jìn)行選擇，最后修改System＿STM32f10ｘ.ｃ中的相關(guān)內(nèi)容。

在此配置下，STM32F103ｘｘ時(shí)鐘系統(tǒng)主要信號(hào)缺省頻率見(jiàn)表6.3。

（2）開(kāi)啟外設(shè)時(shí)鐘：結(jié)合外設(shè)和應(yīng)用需求，合理設(shè)置分頻比，在用戶(hù)程序中使能時(shí)鐘。

6.2定時(shí)器

嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常要為處理器和外設(shè)設(shè)定時(shí)間標(biāo)記，執(zhí)行與時(shí)間相關(guān)的控制或?qū)ν獠渴录M(jìn)行計(jì)數(shù)，如分時(shí)系統(tǒng)周期性的任務(wù)切換、定時(shí)測(cè)量掃描、定時(shí)開(kāi)關(guān)設(shè)備、記錄外部事件的次數(shù)等。凡是跟時(shí)間有關(guān)的工作都要借助定時(shí)器（計(jì)數(shù)器）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

6.2.1定（延）時(shí)基本方法

常用的定（延）時(shí)方法有以下三種：

（1）軟件延時(shí)：對(duì)特定的處理器而言，每條指令都有固定的執(zhí)行周期，因而可以令CPU

執(zhí)行一段“空”程序來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)（等待）。

（2）硬件電路延時(shí)：采用附加的數(shù)字電路產(chǎn)生特定的延時(shí)，如555

單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路。此方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，不占用CPU

時(shí)間，但改變延時(shí)時(shí)間需要調(diào)整電路參數(shù)，通用性和靈活性差；時(shí)間精度受電路參數(shù)影響，穩(wěn)定性差。

（3）可編程定時(shí)器（計(jì)數(shù)器）產(chǎn)生延時(shí)（定時(shí)）：以專(zhuān)用定時(shí)芯片（Intel

8253

等）或處理器中集成的定時(shí)器外設(shè)來(lái)進(jìn)行定時(shí)。初始化完成后，定時(shí)器就以設(shè)定的方式獨(dú)立于CPU

開(kāi)始運(yùn)行，或者產(chǎn)生高精度的定時(shí)間隔，或者對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，用戶(hù)視需要可以隨時(shí)修改其運(yùn)行參數(shù)甚至功能。

6.2.2定時(shí)器的一般工作原理

定時(shí)器（計(jì)數(shù)器）的核心是一個(gè)計(jì)數(shù)器，在計(jì)數(shù)脈沖每一次有效沿，計(jì)數(shù)器的數(shù)值將加1

或減1。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖連接至處理器時(shí)鐘時(shí)，由于其周期已知且穩(wěn)定，脈沖數(shù)多少即代表時(shí)間的長(zhǎng)短，因此稱(chēng)它為定時(shí)器。當(dāng)計(jì)數(shù)的脈沖來(lái)自處理器外部（經(jīng)引腳輸入）時(shí)，由于其周期不確定，故被稱(chēng)為計(jì)數(shù)器。定時(shí)器（計(jì)數(shù)器）的應(yīng)用多與時(shí)間相關(guān)，故一般簡(jiǎn)稱(chēng)為定時(shí)器。

1.

定時(shí)器的一般構(gòu)成

定時(shí)器以標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘作為計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可提供高精度的時(shí)間測(cè)量和作為高精度限時(shí)器。其一般原理如圖6.4

所示。圖6.4定時(shí)器的一般構(gòu)成

2.

計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)（觸發(fā)）方式

計(jì)數(shù)器的觸發(fā)方式是指確定“從什么時(shí)間開(kāi)始計(jì)數(shù)”的方式。計(jì)數(shù)器有內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種觸發(fā)方式。

內(nèi)觸發(fā)是一種軟件觸發(fā)方式。其計(jì)數(shù)開(kāi)始時(shí)刻由軟件決定，一般是用某種軟件令觸發(fā)計(jì)數(shù)器開(kāi)始運(yùn)行?？梢栽趯?xiě)時(shí)間常數(shù)的同時(shí)把計(jì)數(shù)器運(yùn)行觸發(fā)器置“1”，或者用軟件觸發(fā)命令使其運(yùn)行?？傊?，內(nèi)觸發(fā)之后，計(jì)數(shù)器自動(dòng)開(kāi)始計(jì)數(shù)。

外觸發(fā)是用外部信號(hào)觸發(fā)計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作，以使計(jì)數(shù)器的工作與某種外部信號(hào)同步?；蛘呃迷撔盘?hào)的上升沿，或者用其下降沿。這種觸發(fā)方式又稱(chēng)硬件觸發(fā)。

有的計(jì)數(shù)器還有門(mén)控（ＧＡＴＥ）信號(hào)，比如，該信號(hào)為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；為低電平時(shí)，停止計(jì)數(shù)（但不復(fù)位）。它也可用作計(jì)數(shù)器的外觸發(fā)信號(hào)。

3.

定時(shí)器（計(jì)數(shù)器）在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

計(jì)時(shí)器在計(jì)算機(jī)中有廣泛的用途，是計(jì)算機(jī)不可缺少的部件，其主要用途如下：

（1）用作硬件延時(shí)器，相比軟件延時(shí)可節(jié)約大量CPU

工作時(shí)間，以用于其運(yùn)算和處理。

（2）用作周期中斷觸發(fā)源，以進(jìn)行DRAM

刷新、時(shí)鐘管理、定時(shí)查詢(xún)以及A/D及D/A變換的時(shí)間間隔控制等。

（3）用作波特率發(fā)生器、方波發(fā)生器等，以生成固定波形。

（4）用作可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)電路，以用于事件間隔限時(shí)器。

如圖6.5

所示，正常情況下，若觸發(fā)間隔不超出計(jì)時(shí)間隔τ，單穩(wěn)輸出處于暫態(tài)；若超出τ，它將自動(dòng)返回到穩(wěn)態(tài)而產(chǎn)生中斷。圖6.5限時(shí)器的工作原理

6.2.3

STM32定時(shí)器概述

STM32F103ｘｘ系列片內(nèi)除ARM

Cortex-M3

內(nèi)核系統(tǒng)定時(shí)器SysTIck、1

個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和2

個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器外，隨Flash

容量和引腳數(shù)不同最多可以有2

個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器、4

個(gè)通用定時(shí)器、4

個(gè)簡(jiǎn)化定時(shí)器（

SysTIck、IWDG、WWDG和RTC）和2

個(gè)基本定時(shí)器（見(jiàn)表6.4）。

由表6.4

可知，STM32通用定時(shí)器除了通常意義上的可產(chǎn)生預(yù)定時(shí)間間隔的定時(shí)中斷和對(duì)外部輸入信號(hào)計(jì)數(shù)的功能外，它還能進(jìn)行輸入捕獲、輸出比較、脈寬調(diào)制輸出和PWM輸入等操作，滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)定時(shí)器的要求。系統(tǒng)定時(shí)器、看門(mén)狗以及基本定時(shí)器可以看作通用定時(shí)器的簡(jiǎn)化版或?qū)Ｓ冒?。而高?jí)定時(shí)器則是通用定時(shí)器在PWM輸出功能上的強(qiáng)化——為產(chǎn)生三相互補(bǔ)PWM信號(hào)提供硬件支持（如死區(qū)時(shí)間設(shè)置、剎車(chē)信號(hào)等），這為其在三相交流變頻調(diào)速等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，故后續(xù)以通用定時(shí)器為代表來(lái)介紹STM32的定時(shí)器。

6.3

STM32的通用定時(shí)器

在STM32F103ZE中，TIM2～TIM5

皆為通用定時(shí)器，為便于敘述統(tǒng)稱(chēng)為T(mén)IMx。定時(shí)器輸入、輸出信號(hào)見(jiàn)表6.5。

圖6.6

為通用定時(shí)器結(jié)構(gòu)框圖，從圖中可以看出STM32的通用定時(shí)器分為時(shí)基單元、輸入捕獲單元和輸出比較單元三大部分。圖6.6通用定時(shí)器結(jié)構(gòu)框圖

6.3.1

STM32定時(shí)器工作原理分析

1.

影子寄存器

影子寄存器在處理器內(nèi)對(duì)應(yīng)2

個(gè)寄存器，一個(gè)是軟件可以隨時(shí)進(jìn)行讀/

寫(xiě)操作的寄存器——預(yù)加載寄存器另一個(gè)是對(duì)程序不可見(jiàn)，但在處理器運(yùn)行過(guò)程中真正起作用的寄存器——影子寄存器。圖6.6

中標(biāo)有陰影的寄存器，如自動(dòng)重加載寄存器ARR、計(jì)數(shù)器時(shí)鐘預(yù)分頻器PSC以及捕獲/

比較寄存器CCRx等就屬此類(lèi)寄存器。

借助影子寄存器技術(shù)，可以保證相關(guān)的所有寄存器的值在同一個(gè)時(shí)刻（更新事件出現(xiàn)時(shí)）被更新，因此保證了定時(shí)器多通道操作在時(shí)間上嚴(yán)格同步。否則，首先因程序順序執(zhí)行的原因，各寄存器的更新勢(shì)必有先后之分，就會(huì)造成各通道間時(shí)序的不同步，如果再加上其他因素（如中斷），則多通道間的時(shí)序關(guān)系有可能是不可預(yù)知的。

2.

輸入信號(hào)濾波

用定時(shí)器統(tǒng)計(jì)、測(cè)量外部信號(hào)的出現(xiàn)次數(shù)、持續(xù)時(shí)間等，都需要把外部信號(hào)經(jīng)引腳引入定時(shí)器內(nèi)部以供處理，但外部引入的信號(hào)往往含有偶發(fā)性的噪聲，應(yīng)采用技術(shù)手段消除。模擬量的偶發(fā)性噪聲消除算法有算術(shù)平均濾波、中位值濾波、加權(quán)遞推平均濾波、一階滯后濾波和消抖濾波等。

STM32定時(shí)器在外部觸發(fā)信號(hào)ＥＴＲ和4

路輸入捕獲通道TIMx＿ＣＨｘ上皆設(shè)有基于多次采樣表決法的硬件濾波器（輸入濾波器），輸入濾波器本質(zhì)上是事件變化“計(jì)時(shí)器”，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)按某一頻率進(jìn)行采樣，當(dāng)連續(xù)采樣到Ｎ次“新”電平后，即信號(hào)“新”值保持超

過(guò)特定時(shí)長(zhǎng)，是“永久”和“穩(wěn)定”的，才認(rèn)為是一次有效的輸入變化，從而濾除了輸入信號(hào)中的窄脈沖干擾。結(jié)合輸入濾波器，可以由硬件實(shí)現(xiàn)類(lèi)似軟件去除按鍵抖動(dòng)的功能，完全不需要軟件干預(yù)，節(jié)省了CPU

時(shí)間。

3.

定時(shí)器時(shí)鐘源

為實(shí)現(xiàn)外部事件計(jì)數(shù)、外部信號(hào)脈寬測(cè)量、定時(shí)范圍擴(kuò)展等功能，定時(shí)器除內(nèi)部時(shí)鐘脈沖ＣＫ＿ＩＮＴ外，還有ＥＴＲＦ、ＩＴＲｘ和TIｘｘ等時(shí)鐘源（分頻比1～65

536），ＥＴＲ時(shí)鐘還另外有1、2、4、8

四個(gè)分頻比。

（2）外部時(shí)鐘模式1：以觸發(fā)輸入TRGI

作為定時(shí)器時(shí)鐘源，可供選擇的時(shí)鐘源有ITR0～I(xiàn)TR3（來(lái)自其他通用/

高級(jí)定時(shí)器的TRGO）、TI1F＿ED（通道1

有效跳變）、TI1FP1（通道1

有效沿）、TI2FP2（通道2

有效沿）和ETRG（外部觸發(fā)信號(hào)），如圖6.7

所示。此模式下，ETRG作為時(shí)鐘源時(shí)，還需考慮ETR信號(hào)本身預(yù)分頻比的影響，除ETRG作為時(shí)鐘源外：圖6.7外部時(shí)鐘模式1（TI1Ｆ＿ＥＤ為時(shí)鐘源）

（3）外部時(shí)鐘模式2：即以外部觸發(fā)ETR

作為計(jì)數(shù)時(shí)鐘，如圖6.8

所示。首先在TIMx＿SMCR

中配置ETR的輸入模式（ETP

有效沿檢測(cè)、ETPS［1：0］預(yù)分頻比、ETF［3：0］濾波），最后置ECE＝1

選擇ETRF

為計(jì)數(shù)時(shí)鐘源。

提示：外部時(shí)鐘模式2

與外部時(shí)鐘模式1

下，將TRGI連到ETRF（ＴTS［2：0］＝111、SMS［2：0］＝111）實(shí)現(xiàn)的功能相同，皆是以ETRF

為計(jì)數(shù)時(shí)鐘。

STM32眾多可選的時(shí)鐘源為滿(mǎn)足定時(shí)器多種應(yīng)用需求奠定了基礎(chǔ)，時(shí)鐘源的選用見(jiàn)表6.6。圖6.8外部時(shí)鐘模式2

6.3.2時(shí)基

圖6.9

是對(duì)圖6.6

時(shí)基部分的簡(jiǎn)化。以向上計(jì)數(shù)為例，定時(shí)器初始化完成后，被選作計(jì)數(shù)器時(shí)鐘源的時(shí)鐘信號(hào)CK＿PSC

經(jīng)預(yù)分頻器分頻后作為計(jì)數(shù)脈沖施加到計(jì)數(shù)器上，計(jì)數(shù)值隨著時(shí)鐘脈沖CK＿CNT

開(kāi)始從0

開(kāi)始遞增；當(dāng)計(jì)數(shù)到自動(dòng)重加載值（

TIMx＿ARR值）后又重新從0

開(kāi)始新一輪計(jì)數(shù)，同時(shí)產(chǎn)生計(jì)數(shù)器（向上）溢出事件。圖6.9通用定時(shí)器時(shí)基單元

內(nèi)部時(shí)鐘源、預(yù)分頻比＝1

模式下，圖6.10～圖6.12

分別為計(jì)數(shù)器向上、向下和向上/向下計(jì)數(shù)時(shí)序圖。圖6.10向上計(jì)數(shù)時(shí)序圖（TIMｘ＿ＡＲＲ＝0ｘ49）圖6.11向下計(jì)數(shù)時(shí)序圖（TIMｘ＿ＡＲＲ＝0ｘ49）圖6.12向上/

向下計(jì)數(shù)時(shí)序圖（TIMｘ＿ＡＲＲ＝0ｘ06）

1.

更新事件（UEV）

更新事件，顧名思義與寄存器值更新相關(guān)，準(zhǔn)確地說(shuō)是與影子寄存器的更新有關(guān)，具體情況見(jiàn)表6.7。

預(yù)加載控制、更新事件對(duì)影子寄存器寫(xiě)操作的影響如圖6.13

所示。圖6.13

TIMｘ＿ＡＲＲ賦值時(shí)序圖圖6.13

TIMｘ＿ＡＲＲ賦值時(shí)序圖

2.

更新中斷/

DMA請(qǐng)求

控制寄存器TIMx＿CR1

的更新請(qǐng)求源URS＝0

時(shí)，能夠觸發(fā)更新事件的事件都可產(chǎn)生更新中斷/

DMA請(qǐng)求，而當(dāng)URS＝1

時(shí)，只有計(jì)數(shù)器溢出能夠產(chǎn)生更新中斷/

DMA請(qǐng)求。

6.3.3輸出比較模式

對(duì)定時(shí)器（計(jì)數(shù)器）進(jìn)行改進(jìn)，使它能更精確地測(cè)量事件發(fā)生的時(shí)間，這就是輸入捕獲和輸出比較功能。

1.

輸出比較

輸出比較原理如圖6.14

所示，其電路由計(jì)數(shù)器、比較器、輸出比較寄存器和輸出邏輯組成。

計(jì)數(shù)器在給定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下工作。比較寄存器給出比較值，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到比較值時(shí)，可以產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，并能驅(qū)動(dòng)輸出邏輯產(chǎn)生給定電平的輸出信號(hào)。圖6.14比較器輸出原理

2.

STM32輸出比較配置

輸出比較功能由一個(gè)捕獲/

比較寄存器TIMx＿CCRｘ和計(jì)數(shù)器TIMx＿CNT以及相應(yīng)輸出

部分（比較器和輸出控制）組成，如圖6.15

所示（以TIMx＿CH1

通道為例）。圖6.15定時(shí)器輸出比較功能框圖

其工作時(shí)序如圖6.16

所示。圖6.16定時(shí)器輸出比較時(shí)序

圖6.15

中，TIMx

計(jì)數(shù)運(yùn)行時(shí)，計(jì)數(shù)值與TIMx＿CCR1

事先設(shè)定值做對(duì)比，如果兩者相等，則執(zhí)行如下操作：

·設(shè)置通道輸出值：輸出比較模式OC1M［2：0］（捕獲/

比較模式寄存器TIMx＿CCMR1中）決定中間信號(hào)OC1REF值（“高”有效），OC1REF

和輸出有效極性選擇位CC1P（捕獲/比較使能寄存器TIMx＿CCER

中）參照表6.8

決定OC1

輸出值。

·設(shè)置狀態(tài)寄存器TIMx＿SR

的捕獲/

比較CC1IF

標(biāo)志位。

·如DMA/

中斷使能寄存器TIMx＿DIER

中CC1IE＝1

則產(chǎn)生通道1

的捕獲/

比較中斷請(qǐng)求，CC1IE＝1

且控制寄存器TIMx＿CR2

的CCDS＝0，則產(chǎn)生相應(yīng)DMA

請(qǐng)求。

輸出比較模式的配置：

（1）選擇配置計(jì)數(shù)器時(shí)鐘（內(nèi)部或外部時(shí)鐘，預(yù)分頻器）。

（2）根據(jù)計(jì)數(shù)脈沖頻率和輸出信號(hào)參數(shù)，計(jì)算TIMx＿ARR和TIMx＿CCRｘ寄存器值。

（3）寄存器TIMx＿CCMRｘ中OCｘM［2：0］選擇比較模式（參照表6.9），寄存器TIMx＿CCMR中ＣＣｘＰ選擇輸出極性。

（4）如果要產(chǎn)生一個(gè)中斷/

ＤＭＡ請(qǐng)求，設(shè)置TIMx＿ＤＩＥＲ寄存器的ＣＣｘＩＥ、ＣＣｘＤＥ位，

清除TIMx＿ＣＲ2

的ＣＣＤＳ位。

（5）設(shè)置輸出比較使能寄存器TIMx＿ＣＣＥＲ中ＣＣｘＥ使能通道輸出。

（6）設(shè)置TIMx＿ＣＲ1

寄存器的ＣＥＮ位啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。

輸出翻轉(zhuǎn)是一旦計(jì)數(shù)值等于比較值，則翻轉(zhuǎn)OCxREF

狀態(tài)，從而使得相應(yīng)輸出通道引腳狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)頻率為

【例6.2】

STM32運(yùn)行頻率72

MHz，APB1

時(shí)鐘頻率36MHz，TIM2

選用內(nèi)部時(shí)鐘，時(shí)鐘預(yù)分頻比＝1。要求由ＰＡ0

引腳輸出10

Hz

方波。

分析：PA0

引腳系定時(shí)器TIM2＿ＣＨ1

復(fù)用引腳，因而能以定時(shí)器的輸出比較翻轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)純硬件支持方波輸出，占用CPU

時(shí)間最少。由于硬件實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，不需要軟件參與，故較例6.1

除了占用CPU

時(shí)間少外，還有輸出波形穩(wěn)定、定時(shí)精度高的優(yōu)點(diǎn)。

代碼主要為：配置PA10

引腳復(fù)用模式、配置TIM2

時(shí)基和TIM2＿CH1

通道等，初始化TIM2，使之產(chǎn)生20

Hz

的計(jì)數(shù)溢出（更新事件）中斷。

6.3.4

PWM輸出

1.

脈寬調(diào)制（PWM）

PWM是一種利用周期性脈沖信號(hào)的不同占空比表示不同信息的數(shù)字調(diào)制方式。通過(guò)調(diào)節(jié)波形的占空比和相位，利用PWM可以產(chǎn)生精確脈沖序列輸出，能夠用于交直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、伺服電動(dòng)機(jī)控制、D/A轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。例如，智能LED燈采用8

位PWM產(chǎn)生三基色幅值控制電壓實(shí)現(xiàn)1600

萬(wàn)種顏色輸出。圖6.17直流電機(jī)PWM調(diào)速

2.

STM32PWM輸出配置

STM32產(chǎn)生PWM信號(hào)的方法主要有兩種：軟件編程實(shí)現(xiàn)和利用定時(shí)器PWM輸出模塊實(shí)現(xiàn)。利用軟件編程可以設(shè)定輸出任意脈沖信號(hào)，但會(huì)占用CPU

時(shí)間，而且不易產(chǎn)生高精度的脈沖序列；而定時(shí)器PWM輸出模塊專(zhuān)門(mén)用于輸出PWM信號(hào)，精度高，使用時(shí)極少占用CPU

時(shí)間。

3.

邊沿對(duì)齊PWM

計(jì)數(shù)器采用向上或向下計(jì)數(shù)方式，其計(jì)數(shù)值和捕獲/

比較寄存器TIMx＿CCRｘ值比較就會(huì)產(chǎn)生占空比從計(jì)數(shù)值0

或自動(dòng)加載值處開(kāi)始計(jì)算的PWM脈沖，即邊沿對(duì)齊ＰＷＭ。圖6.18

為邊沿對(duì)齊（左對(duì)齊）PWM波形。

圖6.19

為不同占空比下，左對(duì)齊PWM波形時(shí)序圖。由圖可見(jiàn)，STM32定時(shí)器的左對(duì)齊PWM能夠輸出占空比為0～100％的PWM脈沖。圖6.19左對(duì)齊PWM占空比

計(jì)數(shù)器采用向下計(jì)數(shù)，在PWM1

模式下即可產(chǎn)生邊沿右對(duì)齊PWM波形，如圖6.20

所示。在此模式下，STM32定時(shí)器不能輸出占空比＝0％的PWM脈沖。圖6.20右對(duì)齊ＰＷＭ

4.

中央對(duì)齊PWM

中央對(duì)齊PWM是計(jì)數(shù)器采用向上/

向下計(jì)數(shù)方式所形成的PWM波形，如圖6.21所示。圖6.21中央對(duì)齊（居中對(duì)齊）ＰＷＭ

左對(duì)齊PWM適用于大多數(shù)PWM使用場(chǎng)合。右對(duì)齊通常僅用于需要與左對(duì)齊PWM相反對(duì)齊方式的特殊場(chǎng)合。中心對(duì)齊PWM大多用于交流電機(jī)變頻調(diào)速控制以保證三相相位對(duì)齊。邊沿、中央對(duì)齊方式下，PWM輸出技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表6.10。

【例6.3】

STM32運(yùn)行頻率72

MHz（，APB1

時(shí)鐘頻率36MHz，TIM2

選用內(nèi)部時(shí)鐘，時(shí)鐘預(yù)分頻比＝1。要求從TIM2＿CH1（即PA0

引腳）輸出頻率為100

Hz，占空比10％、高電平有效的脈沖信號(hào)。

分析：信號(hào)從定時(shí)器復(fù)用引腳輸出，故可以利用定時(shí)器PWM輸出功能產(chǎn)生所需的脈沖信號(hào)。由于PWM輸出涉及定時(shí)器時(shí)基和輸出比較兩大單元，因而需分別對(duì)時(shí)基和輸出比較單元進(jìn)行初始化，另外需配置PA0

為復(fù)用輸出。主要代碼如下：

6.3.5輸入捕獲

輸入捕獲是指通過(guò)對(duì)引腳輸入信號(hào)電平變化的監(jiān)測(cè)，在發(fā)現(xiàn)電平變化時(shí)，保存計(jì)數(shù)器值到輸入捕捉寄存器中，同時(shí)設(shè)置輸入捕獲狀態(tài)標(biāo)志位；如果中斷允許，則向CPU

發(fā)出中斷請(qǐng)求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)事件發(fā)生間隔時(shí)間的測(cè)量以及對(duì)實(shí)時(shí)事件的響應(yīng)。輸入捕獲功能業(yè)已應(yīng)用于雷達(dá)測(cè)速、超聲波測(cè)距、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及車(chē)速等的測(cè)量上。

1.

信號(hào)周期測(cè)量

輸入捕獲功能由被捕獲信號(hào)輸入部分（數(shù)字濾波、邊沿檢測(cè)和預(yù)分頻器），捕獲/

比較寄存器TIMx＿CCRｘ以及計(jì)數(shù)器CNT組成，如圖6.22

所示（以TIMx＿CH1

通道為例）。圖6.22定時(shí)器輸入捕獲功能框圖

圖6.22

中，輸入濾波器對(duì)TI1

輸入信號(hào)采樣濾波得到信號(hào)TI1F，經(jīng)帶極性選擇的邊沿檢測(cè)器后獲得有效沿信號(hào)TI1FP1，進(jìn)而得到輸入捕獲信號(hào)IC1，此信號(hào)再經(jīng)分頻得到IC1PS。當(dāng)一個(gè)有效的IC1PS來(lái)到后，即觸發(fā)捕獲事件，計(jì)數(shù)器當(dāng)前值被鎖存到捕獲/

比較寄存器TIMx＿CCR1

中，同時(shí)通道1

捕獲/

比較標(biāo)志CC1IF（TIMx＿SR寄存器）被置1，如果使能了中斷/

DMA請(qǐng)求，則將產(chǎn)生中斷或DMA，相關(guān)時(shí)序圖見(jiàn)圖6.23。

注意：設(shè)置TIMx＿EGR

寄存器中相應(yīng)的CCxG

位，可以由軟件產(chǎn)生輸入捕獲事件以及相應(yīng)的中斷/

DMA請(qǐng)求。圖6.23輸入捕獲（信號(hào)周期）時(shí)序———TIMx＿ＣＨ1

1）定時(shí)器配置

以測(cè)量TIMx＿CH1

輸入信號(hào)周期為例，參見(jiàn)圖6.23，定時(shí)器配置步驟如下：

2）TIMx＿CH1

信號(hào)周期測(cè)量軟件編程

如圖6.23

所示，在信號(hào)第一次有效邊沿到來(lái)后，在中斷函數(shù)中保存TIMx＿CCR1

值，設(shè)保存值有效標(biāo)志位，以標(biāo)明已經(jīng)讀入一次輸入捕獲值，退出中斷函數(shù)等待下一個(gè)有效邊沿的到來(lái)。在下一次中斷函數(shù)運(yùn)行中，記錄輸入捕獲寄存器的值，并與上次保存的值相減，將差值乘以計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期就是測(cè)量信號(hào)的周期：

2.

PWM輸入模式

在周期測(cè)量基礎(chǔ)上，借助輸入ICx

重映射功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)周期、脈寬的同步測(cè)量———PWM輸入模式（解調(diào)輸入的PWM信號(hào)，得到輸入脈沖的寬度和周期，是輸入捕獲的高級(jí)應(yīng)用）。

以測(cè)量TIMx＿CH1

輸入信號(hào)脈寬、周期為例，配置操作需要在前述輸入捕獲（周期測(cè)量）配置基礎(chǔ)上，添加以下操作：

·IC1

和IC2

都映射至TI1；IC1

為上升沿有效，IC2

為下降沿有效。

·以TI1FP信號(hào)為觸發(fā)輸入信號(hào)，且從模式控制器被配置成復(fù)位模式。

經(jīng)以上配置，即將TI1

上下兩個(gè)邊沿跳變分別映射到了IC1

和IC2，上升沿時(shí)刻被保存在捕獲/

比較寄存器TIMx＿CCR1，并復(fù)位計(jì)數(shù)器；下降沿來(lái)到時(shí)，其到來(lái)時(shí)刻被保存到TIMx＿CCR2，這樣就可通過(guò)TIMx＿CCR1

獲取周期，TIMx＿CCR2

得到脈寬時(shí)間，如圖6.24所示。圖6.24

PWM輸入模式時(shí)序

信號(hào)周期為

信號(hào)脈寬為

注意：因TI1FP1

和TI2FP2

連接到從模式控制器，所以在STM32標(biāo)準(zhǔn)的PWM輸入模式里，外部被測(cè)信號(hào)只能由TIMx＿CH1

或TIMx＿CH2

輸入。

6.3.6單脈沖輸出（OnePulseMide,OPM）

單脈沖工作模式是輸入捕獲與輸出比較功能的組合，這種模式允許定時(shí)器在得到一個(gè)激勵(lì)（外部事件）后，經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后輸出一個(gè)脈沖作為響應(yīng)，延時(shí)時(shí)間及脈沖持續(xù)時(shí)間（脈寬）可編