STM32HAL库通用定时器学后笔记 - 实践

通用定时器简介

1.通用定时器有哪些？

TIM2/TIM3/TIM4/TIM5

2.通用定时器的主要特性

16位递增、递减、中心对齐计数器（计数值0~65535）

16位预分频器（分频系数：1~65535）

可用于触发DAC\ADC

在更新事件、触发事件、输入捕获、输出比较时，会产生中断/DMA请求

4个独立通道，可用于：输入捕获、输出比较、输出PWM、单脉冲模式

使用外部信号控制定时器且可实现多个定时器互连的同步电路

支持编码器和霍尔传感器电路等

***********************通用定时器具备基本定时器所有功能**************************

3.通用定时器框图

1. 时钟源（Clock Sources）

通用定时器的时钟源有四种选择：

内部时钟(CK_INT)：
- 来自APB总线的时钟
- 通用定时器的时钟频率计算：CK_INT = APB1时钟 × 2（当APB1分频系数为2时）
- 例如：系统时钟72MHz，APB1时钟36MHz，APB1分频系数为2，则通用定时器时钟为72MHz
外部时钟模式1：
- 从TIx引脚输入（TIMx_CH1/2/3/4）
- TI1F_ED：来自CH1，未经边沿检测的双边沿信号
- TI1FP1：来自CH1，经边沿检测后的信号（可选择上升沿或下降沿）
- TI2FP2：来自CH2，经边沿检测后的信号
外部时钟模式2：
- 从ETR引脚输入（TIMx_ETR）
- 经过极性选择、边沿检测、预分频器和输入滤波后，可作为外部时钟源
- 用于将定时器作为脉冲计数器
内部触发输入(ITRx)：
- 其他定时器的触发输出（TRGO）
- 可用于定时器级联（一个定时器的溢出事件触发另一个定时器的计数）

2. 控制器（Controller）

从模式控制器（Slave Mode Controller）：
- 控制计数器复位、启动、递增/递减、计数
- 用于定时器级联功能
触发控制器（Trigger Controller，TRGO）：
- 提供触发信号给其他外设
- 可连接到其他定时器的ITR0-ITR3，实现定时器级联
- 为DAC/ADC的触发转换提供信号
编码器接口：
- 用于读取旋转编码器的脉冲和方向信息
- 支持正交编码器模式

3. 时基单元（Time Base Unit）

时基单元是定时器的核心部分，包括：

计数器（Counter）：
- 16位计数器，可以向上、向下或中央对齐计数
- 用于计数时钟脉冲
预分频器（Prescaler）：
- 用于对输入时钟进行分频
- 预分频系数范围：1~65536
- 有预分频器缓冲器（影子寄存器），防止计数过程中改变分频值导致频率不一致
自动重装载寄存器（Auto Reload Register）：
- 设置计数器的上限值
- 当计数器达到自动重装载值时，产生更新事件并重新计数

4. 输入捕获电路（Input Capture Circuit）

输入捕获电路用于测量输入信号的周期和占空比：

输入信号处理：
- 信号经过异或门（电机控制中常用）
- 进入输入滤波器（过滤高频噪声）
- 通过边沿检测器（检测上升沿或下降沿）
捕获比较寄存器：
- 捕获事件发生时，将计数器值转移到捕获比较寄存器
- 用于计算外部信号的时间（如周期、脉宽）

5. 输出比较电路（Output Compare Circuit）

输出比较电路用于生成PWM波形和特定波形：

比较功能：
- 当计数器值等于捕获比较寄存器值时，产生输出事件
- 可设置输出电平翻转、置位或复位
PWM生成：
1.通过设置占空比和频率，生成PWM信号
2.用于LED调光、电机控制等

3.计数器时钟源

内部时钟（CK_INT）设置TIMx_SMCR的SMS=000

外部时钟模式1：外部输入引脚(TIX) 设置TIMx_SMCR的SMS=111

外部时钟模式2：外部触发输入(ETR) 设置TIMx_SMCR的SMS=111

内部触发输入(ITRx) 比较复杂，设置需要看参考手册

外部时钟模式1

处理路径：

[外部时钟信号] → [IO引脚] → [TIMx_CH1/CH2] → [输入捕获滤波器] → [边沿检测器] → [触发输入选择器] → [模式选择器] → [预分频器] → [计数器]

#include "./BSP/TIMER/gtim.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
TIM_HandleTypeDef g_timx_handle; /* 定时器x句柄 */
void gtim_timx_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
    GTIM_TIMX_INT_CLK_ENABLE();                                 /* 使能TIMx时钟 */
    g_timx_handle.Instance = GTIM_TIMX_INT;                     /* 通用定时器x */
    g_timx_handle.Init.Prescaler = psc;                         /* 预分频系数 */
    g_timx_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;        /* 递增计数模式 */
    g_timx_handle.Init.Period = arr;                            /* 自动装载值 */
    HAL_TIM_Base_Init(&g_timx_handle);
    HAL_NVIC_SetPriority(GTIM_TIMX_INT_IRQn, 1, 3);             /* 设置中断优先级，抢占优先级1，子优先级3 */
    HAL_NVIC_EnableIRQ(GTIM_TIMX_INT_IRQn);                     /* 开启ITMx中断 */
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&g_timx_handle);                      /* 使能定时器x和定时器x更新中断 */
}
void GTIM_TIMX_INT_IRQHandler(void)
{
    /* 以下代码没有使用定时器HAL库共用处理函数来处理，而是直接通过判断中断标志位的方式 */
    if(__HAL_TIM_GET_FLAG(&g_timx_handle, TIM_FLAG_UPDATE) != RESET)
    {
        LED1_TOGGLE();
        __HAL_TIM_CLEAR_IT(&g_timx_handle, TIM_IT_UPDATE);  /* 清除定时器溢出中断标志位 */
    }
}

通用定时器PWM输出实验

捕获/比较通道的输出部分（通道1）

通用定时器输出PWM原理

通用定时器PWM输出实验配置步骤

**相关HAL库函数介绍

HAL_TIM_PWM_Init（） CR1\ARR\PSC 初始化定时器基础参数

HAL_TIM_PWM_MspInit（）无存放NVIC\CLOCK\GPIO初始化代码

HAL_TIM_PWM_ConfigChannel（） CCMRx\CCRx\CCER 配置PWM模式、比较值、输出极性

HAL_TIM_PWM_Start() CCER\CR1 使能输出比较并启动计数器

__HAL_TIM_SET_COMPARE（） CCRx 修改比较值

__HAL_TIM_ENABLE_OCxPRELOAD() CCER 使能通道预装载

TIM_OC_InitTypeDef结构体

typedef struct
{
uint32_t OCMode; /*输出比较模式选择*/ 8种

uint32_t Pulse; /*设置比较值*/ CCRx

uint32_t OCPolarity; /*设置输出比较值*/ CCxP

uint32_t OCNPolarity; /*设置互补输出比较性*/ *高级定时器，通用定时器没有

uint32_t OCFastMode; /*使能或失能输出比较快速模式*/
uint32_t OCIdleState; /*空闲状态下OC1输出*/

uint32_t OCNIdleState; /*空闲状态下OC1N输出*/
} TIM_OC_InitTypeDef;

HAL_TIM_PWM_Start（）函数

HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_PWM_Start(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel)

TIM_HandleTypeDef *htim（句柄） uint32_t Channel（通道）

该函数的核心只有两行

TIM_CCxChannelCmd(htim->Instance, Channel, TIM_CCx_ENABLE);

使能定时器的指定捕获/比较通道（例如通道1、2、3或4），使该通道能够输出PWM信号或进行比较操作。

htim->Instance：定时器的外设指针（如TIM2、TIM3等）
Channel：通道编号（TIM_CHANNEL_1、TIM_CHANNEL_2等）
TIM_CCx_ENABLE：使能通道的标志（使能状态）

这个函数会执行以下操作：

验证定时器是否支持比较输出（通过IS_TIM_CC1_INSTANCE检查）
验证通道号是否合法（通过IS_TIM_CHANNELS检查）
计算位掩码（如通道1的掩码是TIM_CCER_CC1E << 0）
先清零对应通道的CCxE位（确保通道先被关闭）
根据TIM_CCx_ENABLE设置新状态（将CCxE位设置为1）

作用

使能指定通道的输出，使该通道的引脚能够输出PWM信号
CCxE = 1：引脚输出PWM/OC信号（启动PWM、单脉冲输出）
CCxE = 0：引脚变为高阻态或静态电平（紧急关闭电机驱动）

__HAL_TIM_ENABLE(htim);

功能

使能定时器，启动定时器计数。

详细解析

__HAL_TIM_ENABLE(htim)：使能定时器的宏
实际操作：((__HANDLE__)->Instance->CR1|=(TIM_CR1_CEN))
这个宏将定时器的CR1寄存器的第0位（CEN位）设置为1

作用

启动定时器计数
使定时器开始按照配置的时钟频率计数
与TIM_CCxChannelCmd配合使用，确保定时器在通道使能后开始工作

两行代码的执行顺序和目的

这两行代码通常按此顺序执行，目的是：

先配置好定时器通道（使能通道）
再使能定时器（启动计数）

这样，当定时器开始计数后，当计数器值与比较寄存器匹配时，就会在指定通道上产生PWM输出或比较事件。

为什么需要这个顺序？

如果先使能定时器再使能通道，可能会导致在通道还未使能时，定时器已经开始了计数，从而产生意外的输出。先使能通道再使能定时器可以确保定时器启动时，通道已经处于正确的配置状态。

__HAL_TIM_SET_COMPARE（）函数

#define __HAL_TIM_SET_COMPARE(__HANDLE__, __CHANNEL__, __COMPARE__) \
(((__CHANNEL__) == TIM_CHANNEL_1) ? ((__HANDLE__)->Instance->CCR1 = (__COMPARE__)) :\
((__CHANNEL__) == TIM_CHANNEL_2) ? ((__HANDLE__)->Instance->CCR2 = (__COMPARE__)) :\
((__CHANNEL__) == TIM_CHANNEL_3) ? ((__HANDLE__)->Instance->CCR3 = (__COMPARE__)) :\
((__HANDLE__)->Instance->CCR4 = (__COMPARE__)))
该函数整体为宏，使用了C语言的三元条件运算符（?:）实现多路选择，根据通道号（__CHANNEL__）选择对应的CCR寄存器进行赋值。

1. 通道1处理

((__CHANNEL__) == TIM_CHANNEL_1) ?
  ((__HANDLE__)->Instance->CCR1 = (__COMPARE__)) : ...

如果通道号等于TIM_CHANNEL_1（通道1）
则将比较值(__COMPARE__)写入(__HANDLE__)->Instance->CCR1（通道1的捕获/比较寄存器）

2. 通道2处理

((__CHANNEL__) == TIM_CHANNEL_2) ?
  ((__HANDLE__)->Instance->CCR2 = (__COMPARE__)) : ...

如果通道号等于TIM_CHANNEL_2（通道2）
则将比较值(__COMPARE__)写入(__HANDLE__)->Instance->CCR2（通道2的捕获/比较寄存器）

3. 通道3处理

((__CHANNEL__) == TIM_CHANNEL_3) ?
  ((__HANDLE__)->Instance->CCR3 = (__COMPARE__)) : ...

如果通道号等于TIM_CHANNEL_3（通道3）
则将比较值(__COMPARE__)写入(__HANDLE__)->Instance->CCR3（通道3的捕获/比较寄存器）

4. 通道4处理（默认情况）

((__HANDLE__)->Instance->CCR4 = (__COMPARE__))

如果以上三个条件都不满足（即通道号不是1、2或3）
则将比较值(__COMPARE__)写入(__HANDLE__)->Instance->CCR4（通道4的捕获/比较寄存器）

原理

定时器CCR寄存器的作用

CCR（Capture/Compare Register）是定时器的捕获/比较寄存器
在PWM模式下，CCR值决定PWM的占空比
例如：如果ARR=1000，CCR=500，则占空比=500/1000=50%
重要注意事项
通道有效性：
- 通用定时器（TIM2-TIM5）有4个通道（CH1-CH4）
- 高级定时器（TIM1、TIM8）有6个通道（CH1-CH4和CH1N-CH3N）
- 对于高级定时器的互补通道，应使用__HAL_TIM_SET_COMPARE_N宏
使用顺序：
- 必须在__HAL_TIM_ENABLE（使能定时器）之前设置CCR值
- 如果先使能定时器再设置CCR，可能会导致PWM输出不稳定
与HAL库函数的关系：
- 在HAL_TIM_PWM_Start等高级函数中，会自动调用这个宏
- 例如：HAL_TIM_PWM_Start内部会调用__HAL_TIM_SET_COMPARE设置CCR值

__HAL_TIM_ENABLE_OCxPRELOAD（）函数

#define __HAL_TIM_ENABLE_OCxPRELOAD(__HANDLE__, __CHANNEL__) \
(((__CHANNEL__) == TIM_CHANNEL_1) ? ((__HANDLE__)->Instance->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1PE) :\
((__CHANNEL__) == TIM_CHANNEL_2) ? ((__HANDLE__)->Instance->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC2PE) :\
((__CHANNEL__) == TIM_CHANNEL_3) ? ((__HANDLE__)->Instance->CCMR2 |= TIM_CCMR2_OC3PE) :\
((__HANDLE__)->Instance->CCMR2 |= TIM_CCMR2_OC4PE))

该宏的作用是：使能指定定时器通道的输出比较预装载功能（Output Compare Preload Enable）。

为什么需要预装载功能？

问题场景

假设我们正在输出PWM，当前CCR值为500，ARR=1000（50%占空比）。如果我们在计数过程中（比如CNT=300）直接将CCR改为600，会导致：

当前周期的PWM占空比突然从50%变为60%
产生输出毛刺（不期望的波形突变）

预装载解决方案

先将新值（600）写入预装载寄存器
当计数器达到ARR值（1000）时，触发更新事件
更新事件发生时，预装载寄存器的值（600）被复制到实际CCR寄存器
下一个周期开始时，PWM占空比变为60%

这样保证了PWM输出的平滑过渡，避免了输出毛刺。

重要注意事项

必须在设置CCR之前使能预装载：

// 错误顺序：会导致立即生效，可能产生毛刺
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, 600);
__HAL_TIM_ENABLE_OCxPRELOAD(&htim2, TIM_CHANNEL_1); // 晚了！CCR已生效

预装载与更新事件：
- 预装载功能只在更新事件（Update Event）发生时生效
- 更新事件由计数器达到ARR值触发（在向上计数模式下）
与HAL库函数的关系：
- HAL_TIM_PWM_Start内部已经包含了使能预装载和设置CCR的操作
- 通常不需要手动调用这个宏，除非需要在启动PWM前动态设置CCR

为什么这个宏如此重要？

在PWM应用中，预装载功能是保证输出质量的关键：

消除PWM波形中的毛刺
实现平滑的占空比调整
避免电机驱动等应用中的电流冲击
保证控制系统的稳定性

与知识库的关联

这个宏直接关联到定时器的"捕获/比较寄存器"部分
是实现稳定PWM输出的核心机制
与之前讨论的__HAL_TIM_SET_COMPARE和__HAL_TIM_ENABLE共同构成完整的PWM配置流程

总结

__HAL_TIM_ENABLE_OCxPRELOAD宏的作用是使能定时器通道的输出比较预装载功能，它通过设置CCMR寄存器的对应位来实现。这个功能确保了PWM占空比的改变在下一个周期开始时生效，而不是在当前周期中突然改变，从而避免了输出波形的毛刺，是实现高质量PWM输出的必要步骤。

在STM32的PWM应用中，这个宏的正确使用对于系统的稳定性和性能至关重要。理解这个宏的工作原理，有助于开发者编写更健壮、更高质量的PWM控制代码。

捕获/比较通道的输入部分

通用定时器输入捕获实验配置步骤