解码STM32定时器：原理、配置与实战

定时器核心概述

定时器是STM32微控制器中核心的外设之一，核心功能是通过精准的时钟计数实现定时控制、中断触发、波形生成等功能。在嵌入式系统中，定时器的应用场景极为广泛，例如：

定时控制：LED灯周期性翻转、系统延时函数实现、任务调度器时钟基准；
波形生成：通过PWM（脉冲宽度调制）控制电机转速、舵机角度、LED亮度；
信号测量：通过输入捕获功能测量外部信号的脉冲宽度（如红外遥控信号）、频率；
同步控制：多定时器联动实现复杂时序逻辑，或与其他外设（如ADC、DAC）同步工作。

对于STM32F407系列微控制器，内部集成14个定时器，按功能可分为三类，各类定时器的核心差异在于支持的功能和计数位数：

定时器类型	具体型号	计数位数	核心功能
基本定时器	TIM6、TIM7	16位	仅定时功能，可触发DAC转换
通用定时器	TIM2_TIM5、TIM9TIM14	TIM2/TIM5为32位，其余16位	定时、输入捕获、输出比较、PWM生成、单脉冲模式
高级定时器	TIM1、TIM8	16位	包含通用定时器所有功能，新增互补输出、死区控制（适配电机驱动）

定时器核心原理

时钟来源与频率计算

定时器的计数时钟源自系统时钟（RCC），需经过APB总线分频后传入，不同总线挂载的定时器，其时钟频率计算规则不同：

APB1总线：最大频率42MHz，挂载定时器TIM2_TIM5、TIM6TIM7、TIM12~TIM14；若APB1分频系数为1（不分频），定时器时钟=APB1频率；若分频系数>1，定时器时钟=APB1频率×2（最终为84MHz）；
APB2总线：最大频率84MHz，挂载定时器TIM1、TIM8~TIM11；若APB2分频系数为1，定时器时钟=APB2频率；若分频系数>1，定时器时钟=APB2频率×2（最终为168MHz）。

核心结论：STM32F407中，APB1挂载的定时器实际工作频率为84MHz，APB2挂载的为168MHz。

定时时间计算

定时器的定时时间由“预分频器（PSC）”和“自动重载寄存器（ARR）”共同决定，核心公式如下：

定时时间 = （PSC + 1）×（ARR + 1） / 定时器时钟频率

参数说明：

PSC（预分频器）：16位寄存器，取值范围0~65535，作用是将定时器时钟分频，分频后的频率=定时器时钟/（PSC+1）；
ARR（自动重载值）：16位或32位寄存器（取决于定时器位数），取值范围0~最大值，计数器计数到ARR值后会触发更新事件（溢出/下溢），并重新开始计数。

示例：使用TIM6（APB1挂载，时钟84MHz）定时500ms，计算PSC和ARR值：

已知定时时间=500ms=0.5s，定时器时钟=84MHz=84×10⁶Hz；

代入公式：（PSC+1）×（ARR+1）= 0.5 × 84×10⁶ = 42×10⁶；

可选配置：PSC=8399（分频后频率=84MHz/8400=10kHz），ARR=4999（计数5000次），则（8399+1）×（4999+1）=8400×5000=42×10⁶，刚好满足500ms定时。

计数模式

不同类型定时器支持的计数模式不同，核心模式分为三类：

递增计数（默认）：计数器从0开始递增，计数到ARR值后触发更新事件，重新从0开始；
递减计数：计数器从ARR值开始递减，计数到0后触发更新事件，重新从ARR开始；
中心对齐计数：计数器从0递增到ARR-1（上溢），再递减到1（下溢），循环往复，适用于对称PWM生成。

注意：TIM9_{TIM14仅支持递增计数，TIM2}TIM5支持三种模式，高级定时器支持所有模式。

定时器基础配置（定时中断）

以TIM6定时1s实现LED0翻转为例，讲解基础配置流程，核心步骤：开启时钟→配置时基→配置中断→使能定时器→编写中断服务函数。

代码（标准库）

#include "stm32f4xx.h"

/**
 * @brief  TIM6初始化函数，配置1s定时中断
 * @param  无
 * @return 无
 * @note   TIM6挂载APB1总线，时钟84MHz；定时1s配置：PSC=8399，ARR=9999
 *         定时时间=(8399+1)*(9999+1)/84e6 = 8400*10000/84e6 = 1s
 */
void TIM6_Init(void) {
    // 1. 开启TIM6和APB1总线时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6, ENABLE);

    // 2. 配置定时器时基结构体
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 8399;          // 预分频器值
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 递增计数模式
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 9999;             // 自动重载值
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; // 时钟分频因子（不分频）
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;     // 重复计数器（仅高级定时器有效）
    TIM_TimeBaseInit(TIM6, &TIM_TimeBaseInitStruct);

    // 3. 配置NVIC中断控制器（允许TIM6中断）
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM6_DAC_IRQn;      // TIM6中断通道
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; // 抢占优先级2
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;       // 响应优先级0
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;          // 使能中断通道
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

    // 4. 使能TIM6更新中断
    TIM_ITConfig(TIM6, TIM_IT_Update, ENABLE);

    // 5. 使能TIM6计数器
    TIM_Cmd(TIM6, ENABLE);
}

/**
 * @brief  TIM6中断服务函数，处理定时中断事件
 * @param  无
 * @return 无
 * @note   中断触发条件：TIM6计数器计数到ARR值（9999）后产生更新中断
 *         需先判断中断标志位，处理完成后清除标志位
 */
void TIM6_DAC_IRQHandler(void) {
    // 判断是否为TIM6更新中断
    if (TIM_GetITStatus(TIM6, TIM_IT_Update) != RESET) {
        GPIO_ToggleBits(GPIOF, GPIO_Pin_9); // 翻转LED0（假设LED0接PF9）
        TIM_ClearITPendingBit(TIM6, TIM_IT_Update); // 清除中断标志位
    }
}

/**
 * @brief  GPIO初始化函数，配置PF9为输出（控制LED0）
 * @param  无
 * @return 无
 */
void LED_Init(void) {
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE); // 开启GPIOF时钟
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
    GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9); // 初始熄灭LED0
}

int main(void) {
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 配置中断优先级分组2
    LED_Init();          // 初始化LED
    TIM6_Init();         // 初始化TIM6定时中断
    while (1) {
        // 主循环无需处理，中断中完成LED翻转
    }
}

通用定时器进阶功能

通用定时器（如TIM2_TIM5、TIM9TIM14）相比基本定时器，新增输入捕获和输出比较功能，核心应用为PWM生成。

查表数据手册中的引脚功能表获取用MCU的某个IO口去控制硬件、用哪个定时器的哪个通道

PWM核心原理

PWM（脉冲宽度调制）是通过周期性脉冲信号的高电平占空比调节，实现模拟信号输出的数字技术，核心参数：

频率：单位Hz，指每秒输出的脉冲个数，频率=定时器时钟/[（PSC+1）×（ARR+1）]；
占空比：指一个周期内高电平持续时间占总周期的百分比，占空比=（CCR+1）/（ARR+1）×100%（PWM模式1，高电平有效）。

PWM模式分类（通过TIMx_CCMRx寄存器的OCxM位配置）：

PWM模式1：递增计数时，CNT<CCR时输出有效电平，CNT≥CCR时输出无效电平；
PWM模式2：递增计数时，CNT<CCR时输出无效电平，CNT≥CCR时输出有效电平。

注：CCR（捕获/比较寄存器）：16位寄存器，用于设定PWM占空比，取值范围0~ARR。

PWM配置实战（舵机控制）

舵机（如SG90）的控制要求：20ms周期（频率50Hz）的PWM信号，高电平时间0.5ms_{2.5ms对应0°}180°角度。以下以TIM9_CH2（PE6引脚）生成舵机控制PWM为例。

硬件接线

舵机红色线：接5V电源（舵机工作电压3~7.2V，开发板5V供电即可）；
舵机棕色线：接GND；
舵机黄色线：接TIM9_CH2（PE6引脚，复用功能GPIO_AF_TIM9）。

代码

#include "stm32f4xx.h"

/**
  * @brief  延时微秒
  * @param  nus: 待延时时间，单位是微秒
  * @retval 无
  * @note   系统滴答定时器（Systick）采用21MHZ的时钟源
  */
void delay_us(u32 nus)
{
    SysTick->CTRL = 0;              // 关闭定时器
    SysTick->LOAD = nus*21 - 1;     // 设置重载值
    SysTick->VAL  = 0;              // 清除当前值
    SysTick->CTRL = 1;              // 启动定时器
    while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);// 等待时间到达
    SysTick->CTRL = 0;              // 关闭定时器
}

/**
  * @brief  延时毫秒
  * @param  nms: 待延时时间，单位是毫秒
  * @retval 无
  * @note   系统滴答定时器（Systick）采用21MHZ的时钟源，该函数存在微小误差
  */
void delay_ms(u32 nms)
{
    while(nms--) 
    {
        SysTick->CTRL = 0;              // 关闭定时器
        SysTick->LOAD = 21*1000 - 1;    // 设置重载值
        SysTick->VAL  = 0;              // 清除当前值
        SysTick->CTRL = 1;              // 启动定时器
        while ((SysTick->CTRL & 0x00010000)==0);// 等待时间到达
        SysTick->CTRL = 0;              // 关闭定时器
    }   
}

/**
  * @brief  配置TIM9输出通道（用于舵机控制）
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void TIM_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
    
    // 1. 开启TIM9的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM9, ENABLE);

    // 2. 开启GPIO端口时钟
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOE, ENABLE);

    // 3. 配置GPIO引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_6 ;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF;         // 复用模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;    // 100MHz输出速率
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;        // 推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd  = GPIO_PuPd_UP ;        // 上拉电阻
    GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure); 

    // 4. 选择GPIO引脚要复用的功能（TIM9）
    GPIO_PinAFConfig(GPIOE, GPIO_PinSource6, GPIO_AF_TIM9);

    // 5. 配置定时器的时基（生成20ms周期）
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 168-1;    // TIM9挂载在APB2总线，分频后频率1MHz（1us计数1次）
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period    = 20000-1;  // 自动重载值，计数20000次对应20ms
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;    // 不分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 递增计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM9, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 6. 配置TIM的输出比较（PWM模式）
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode      = TIM_OCMode_PWM1;          // PWM1模式：递增计数时，CNT<CCR通道有效，否则无效
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;   // 开启输出比较功能
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse       = 500;                      // 舵机转动0度，对应0.5ms高电平（1us×500=500us=0.5ms）
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;       // 高电平有效
    TIM_OC2Init(TIM9, &TIM_OCInitStructure);

    // 7. 使能TIM9通道2预装载寄存器（确保CCR值更新后在下一周期生效）
    TIM_OC2PreloadConfig(TIM9, TIM_OCPreload_Enable);
    
    // 8. 使能TIM9自动重载预装载寄存器（确保ARR值更新后同步生效）
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM9, ENABLE);

    // 9. 开启定时器
    TIM_Cmd(TIM9, ENABLE);
}

/**
  * @brief  主程序（程序入口）
  * @param  无
  * @retval 无
  */
int main(void)
{
    // 1. 进行NVIC优先级分组：分组4，抢占优先级4位（取值范围0~15）
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_4); 
    
    // 2. 硬件初始化（仅初始化TIM9，用于舵机控制）
    TIM_Config();
    
    /* 无限循环 */
    while (1)
    {
        // 角度为0度
        TIM_SetCompare2(TIM9,500);
        delay_ms(500);
        // 角度为45度
        TIM_SetCompare2(TIM9,1000);
        delay_ms(500);
        // 角度为90度
        TIM_SetCompare2(TIM9,1500);
        delay_ms(500);
        // 角度为135度
        TIM_SetCompare2(TIM9,2000);
        delay_ms(500);
        // 角度为180度
        TIM_SetCompare2(TIM9,2500);
        delay_ms(500); // 补充180度停留延时，使角度切换更均匀
    }
}

PWM实战拓展（LED呼吸灯）

利用PWM占空比渐变实现LED呼吸灯效果，以TIM14_CH1（PF9引脚）为例，配置1kHz频率PWM，通过循环修改CCR值实现亮度渐变。

#include "stm32f4xx.h"
/**
 * @brief  TIM14_CH1（PF9）PWM初始化函数，配置1kHz频率
 * @param  无
 * @return 无
 * @note   TIM14挂载APB1总线，时钟84MHz；1kHz频率配置：PSC=83，ARR=999
 *         频率=84e6/[(83+1)*(999+1)] = 84e6/(84*1000) = 1000Hz
 */
void TIM14_PWM_Init(void) {
    // 1. 开启时钟（TIM14和GPIOF）
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM14, ENABLE);
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);

    // 2. 配置PF9为复用功能（AF9，对应TIM14_CH1）
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStruct.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStruct.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
    GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStruct);
    GPIO_PinAFConfig(GPIOF, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_TIM14);

    // 3. 配置时基
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 83;
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 999;
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInit(TIM14, &TIM_TimeBaseInitStruct);

    // 4. 配置PWM模式
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;
    TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 0; // 初始亮度最低
    TIM_OC1Init(TIM14, &TIM_OCInitStruct);

    // 5. 使能预装载
    TIM_OC1PreloadConfig(TIM14, TIM_OCPreload_Enable);
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM14, ENABLE);

    // 6. 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM14, ENABLE);
}

int main(void) {
    uint16_t ccr_val = 0;
    uint8_t dir = 1; // 亮度变化方向：1=递增，0=递减
    TIM14_PWM_Init();
    while (1) {
        if (dir) {
            ccr_val++;
            if (ccr_val > 999) dir = 0;
        } else {
            ccr_val--;
            if (ccr_val <= 0) dir = 1;
        }
        TIM_SetCompare1(TIM14, ccr_val); // 更新占空比
        delay_ms(5); // 控制渐变速度
    }
}

软件模拟PWM

可以利用定时器基本定时功能，通过编程控制普通 IO 口输出高低电平并配合精准延时，软件模拟生成可调占空比的 PWM 信号；该方法不受硬件定时器通道限制，可用于任意普通输出 IO 口，通用性与可移植性更强。

模拟PWM配置（PF9口，50Hz）

int main(void)
{
    // 配置NVIC优先级分组为4（仅抢占优先级，0-15）
    NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PriorityGroup_4);
    // 初始化按键模块
    PF9_Init();
    
    // 主循环
    while (1)
    {
        GPIO_ResetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9); // 低电平
				delay_ms(19);
        GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9);   // 高电平
				delay_ms(1);
    }
}

示波器检测结果

关键注意事项

时钟使能：所有定时器和对应GPIO口必须先开启时钟，否则配置无效；
复用功能：PWM输出或输入捕获时，GPIO口需配置为复用模式，并正确设置AF值；
中断优先级：多个定时器中断同时使用时，需合理配置抢占优先级和响应优先级，避免中断冲突；
预装载寄存器：PWM模式下，建议使能CCR和ARR的预装载功能，保证波形稳定；
- 假设你在 STM32 的定时器中生成 PWM，且未开启预装载：
  - ARR（周期）立即修改：如果在计数器计数过程中修改 ARR，当前周期会被强行截断 / 延长，导致这一个 PWM 周期的时长变得不规则（比如原本 1ms 的周期，中途改成 0.8ms，这个周期就会变成 0.8ms，而下一个周期才是正常的 1ms）。
  - CCR（占空比）立即修改：如果在计数器计数过程中修改 CCR，比如计数器已经计数到 500，你突然把 CCR 从 600 改成 400，那么本周期的比较事件会提前触发，导致 PWM 的高 / 低电平时长被 “打断”，出现毛刺或不规则的电平跳变。
硬件 vs 软件PWM：硬件PWM精度高、CPU占用低，适合对时序要求严格的场景；软件PWM通用性强（任意IO口），但精度依赖定时器定时精度，CPU占用略高。

posted @ 2026-01-12 19:00 YouEmbedded 阅读(10) 评论(0) 收藏举报

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