STM32系列教程

【STM32系列教程】0x05 Timer

介绍

Timer是什么

  • 可配置的硬件定时器
  • 常用的功能：
    • 在到时间时触发更新中断，调用特定的程序代码
    • 在到时间时发生更新事件，触发特定的硬件功能
    • 利用比较功能输出任意占空比和频率的方波

原理这里就不详细写了，自己去看教程

Timer外设

定时器按参数和功能也分为多种（基本定时器，通用定时器，高级定时器），这里用一个通用计时器单元举例

image-20230802071702854

结构

  • 时钟输入源：内部时钟、GPIO外部时钟、其它定时器等
  • 时基单元（计数器）：向上计数(每次+1)，向下计数(每次-1)，中央对齐(轮流向上向下计数)
  • 四个比较/捕获通道：用于PWM/输出比较/输入捕获功能

每个通道支持的模式

  • 输出比较：比较 定时器的CNT计数寄存器 和 通道的CCR比较寄存器 决定输出高电平和低电平，用来输出PWM波形
  • 输入捕获：收到输入的信号时 将 定时器的CNT计数寄存器 转存到 通道的CCR比较寄存器，用来测量外部信号频率和占空比
  • 编码器模式：利用输入捕获 测量编码器的旋转速度

如何计时

三个寄存器

  • 预分频寄存器 TIMx_PSC（Prescaler, 频率系数）
  • 自动重装载寄存器 TIMx_ARR （Auto Reload Register, 计数上限）
  • 计数器寄存器 TIMx_CN（Count, 计数变量）

计数过程

TIMx_PSC表示预分频器将输入频率变慢到几分之一

分频后的每个周期，TIMx_CN向上计数

TIMx_CN == TIMx_ARR 时，自动清零TIMx_CN，重新开始计数

相当于 for (int TIMx_CN=0; TIMx_CN<=TIMx_ARR; TIMx_CN++)

由于从0开始计数，注意需要计数n次时TIMx_ARR=n-1

频率计算

$频率 = \frac{输入源频率} {(预分频器系数 \times 计数上限)}$

如何输出PWM

image-20230802073353058

一个寄存器：

  • 比较寄存器 TIMx_CCRx

定时器处于PWM输出模式下时：

  • TIMx_CNT < TIMx_CCRx，输出一种电平

  • TIMx_CNT > TIMx_CCRx，输出另一种电平

计数到TIMx_ARR，计数寄存器自动归零

可以通过控制每个通道的TIMx_CCRx和TIMx_ARR的比例控制占空比

TIMx_ARR越大，占空比的控制就越精细

HAL库

启用/禁用定时器

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11

// 开始/停止定时器时基单元
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Start(TIM_HandleTypeDef *htim);
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Stop(TIM_HandleTypeDef *htim);

// 开始/停止定时器时基单元，并允许所有的中断
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Start_IT(TIM_HandleTypeDef *htim);
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Stop_IT(TIM_HandleTypeDef *htim);
    
// 启动/停止单个通道的pwm输出（自动启动时基单元）
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_PWM_Start(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel);
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_PWM_Stop(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel);

访问寄存器

可以通过新版/旧版的__HAL宏读写寄存器，也可以直接通过指针访问寄存器，都是等价的

为了让代码更加规范，请使用新版的HAL库宏（名称仅包含大写单词和下划线的）

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32

// 定时器n的预分频器
__HAL_TIM_SET_PRESCALER(__HANDLE__, __PRESC__);
/*
htimn.Instance->PSC;
*/

// 定时器n的计数寄存器
__HAL_TIM_SET_COUNTER(__HANDLE__, __COUNTER__);
__HAL_TIM_GET_COUNTER(__HANDLE__);
/*
__HAL_TIM_SetCounter(__HANDLE__, __COUNTER__);
__HAL_TIM_GetCounter(__HANDLE__);
htimn.Instance->CNT;
*/

// 定时器n的自动重装载寄存器（计数上限）
__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(__HANDLE__, __AUTORELOAD__);
__HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(__HANDLE__);
/*
__HAL_TIM_SetAutoreload(__HANDLE__, __AUTORELOAD__);
__HAL_TIM_GetAutoreload(__HANDLE__);
htimn.Instance->ARR; 
*/

// 定时器n通道m的比较寄存器
__HAL_TIM_SET_COMPARE(__HANDLE__, __CHANNEL__, __COMPARE__);
__HAL_TIM_GET_COMPARE(__HANDLE__, __CHANNEL__);
/*
__HAL_TIM_SetCompare(__HANDLE__, __CHANNEL__, __COMPARE__);
__HAL_TIM_GetCompare(__HANDLE__, __CHANNEL__);
htimn.Instance->CCRm;
*/

实践1: 定时器触发中断

视频教程： https://www.bilibili.com/video/BV1th411z7sn?p=13

文字教程： https://deepbluembedded.com/stm32-counter-mode-example-frequency-counter-timer-in-counter-mode/

提供的中断

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13

/* stm32f1xx_hal_tim.c
@verbatim
  ==============================================================================
                        ##### TIM Callbacks functions #####
  ==============================================================================
 [..]
   This section provides TIM callback functions:
   (+) TIM Period elapsed callback
   (+) TIM Output Compare callback
   (+) TIM Input capture callback
   (+) TIM Trigger callback
   (+) TIM Error callback
*/

ToDo

代码调用层次

为了能让大家更加熟悉STM32的中断功能，这里再用Timer描述一遍中断的发生过程，介绍后面的外设时就不再描述了

TIM中断到达NVIC后，将会调用Core/Src/stm32f1xx_it.c中的特定定时器的特定中断的TIMx_xx_IRQHandler()函数。用户可以在这里添加处理代码，我们不修改这里

上述函数中调用HAL库文件stm32f1xx_hal_tim.c中的同一个HAL内置函数HAL_TIM_IRQHandler(TIM_HandleTypeDef *htim)读取中断产生的寄存器，判断是哪一种中断，我们不修改这里

上面HAL库处理完寄存器后，自动调用HAL库文件stm32f1xx_hal_tim.c中定义的不同类型的中断弱回调函数HAL_TIM_xxxCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)，建议利用此函数，在别处覆写此弱函数处理中断。

  • 有的定时器只提供一个总的中断进入NVIC，所以stm32f1xx_it中只有一个总的TIMx_IRQHandler函数，
  • 有的定时器每种类型的中断分别进入NVIC，所以stm32f1xx_it中有很多分的TIMx_xx_IRQHandler函数
  • 以前使用LL库开发时，在stm32f1xx_it文件中手动设置各种寄存器并实现应用逻辑。现在使用HAL库就不用在这里面写代码了。
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12

flowchart LR
	TIM1_BRK_IRQHandler --> HAL_TIM_IRQHandler
	TIM1_UP_IRQHandler --> HAL_TIM_IRQHandler
	TIM1_TRG_COM_IRQHandler --> HAL_TIM_IRQHandler
	TIM1_CC_IRQHandler --> HAL_TIM_IRQHandler
	TIM2_IRQHandler --> HAL_TIM_IRQHandler
	HAL_TIM_IRQHandler --> HAL_TIM_PeriodElapsedCallback
	HAL_TIM_IRQHandler --> HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback
	HAL_TIM_IRQHandler --> HAL_TIM_IC_CaptureCallback
	HAL_TIM_IRQHandler --> HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback
	HAL_TIM_IRQHandler --> HAL_TIM_TriggerCallback
	HAL_TIM_IRQHandler --> HAL_TIM_ErrorCallback

语法

1
2
3
4
5

// 启动整个定时器，并且启用中断功能
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Start_IT(TIM_HandleTypeDef *htim);

// 停止整个计时器，并且停用中断功能
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_Base_Stop_IT(TIM_HandleTypeDef *htim);

目标

利用定时器中断，实现亮500ms，灭500ms闪烁的LED

配置CubeMX

我们使用TIM1实现

配置TIM1并启用中断：

  • 最左侧外设列表 Timers -> TIM1 -> 中间上方Mode
    • Clock Source 选择Internal Clock （配置时钟源）
  • 最左侧外设列表 Timers -> TIM1 -> 中间下方Configuration -> Parameter Settings页面
    • Counter Settings -> 设置Prescaler （配置预分频器）
    • Counter Settings -> 设置Conter Period （配置重装载寄存器）
    • PWM Generation Channel x -> Pulse （配置比较寄存器，这个程序不用设置）
  • 最左侧外设列表 Timers -> TIM1 -> 中间下方Configuration -> NVIC Settings页面
    • 勾上TIM1 update interrupt （启用定时器溢出中断，普通定时器只有一个global interrupt）

别忘记启用LED的GPIO输出

代码

和上面相似我们在main.c里覆写中断回调函数HAL_TIM_PeriodElapsedCallback，定时器超时后后hal会自动调用此函数

在main函数前面的位置添加代码

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM1)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    }
}
/* USER CODE END 0 */

在main函数的while前面添加代码，以中断方式启动一次定时器

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */

运行

运行代码，你应该能看到闪烁的LED

实践2: 呼吸灯

目标

用核心板板载led实现呼吸灯，即缓慢点亮缓慢熄灭不断循环

原理

通过Timer输出PWM波形，修改波形的占空比以改变乐一地的亮度。

有关PWM和占空比请自行谷歌资料

连接LED

由于板载LED并没有直接连接到硬件定时器上，只能通过跳线的方式将LED的引脚连接到某个硬件定时器的输出引脚上。

我这里使用跳线把扩展板上的PC13和PA9连接到了一起，也就是把LED连接到了TIM1的Channel2上。

配置CubeMX

可以把第一个空项目的.ioc文件复制出来改个名字再配置，不用每次都调那几个基本参数

在CubeMX中的Pinout & Configuration页面，右侧的芯片图那里，将PA9引脚设置为TIM1_CH2

配置TIM1以及它的Channel2：

  • 最左侧外设列表 Timers -> TIM1 -> 中间上方Mode

    • Clock Source 选择Internal Clock （配置时钟源）
    • Channel2 选择PWM Generation CH2 （配置通道信息）

  • 最左侧外设列表 Timers -> TIM1 -> 中间下方Configuration -> Parameter Settings页面

    • Counter Settings

      • 设置Prescaler （配置预分频器）
      • 设置Conter Period （配置重装载寄存器）

    • PWM Generation Channel 2

      • Pulse （这个是配置比较寄存器，这里不做设置，会在代码中动态修改）

预分频器、重装载寄存器和比较寄存器的值请尝试自行计算。

这里我使用1000hz的PWM频率，1000的脉宽精细度

注意：由于定时器从0开始计数，实际计数上限需要-1。预分频器和定时器本质上都是计数器，所以在CubeMX中填入类似于n-1的值

image-20230731064151079

记得点Generate Code

代码

和之前一样，修改main.c

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29

    /* Infinite loop */
    /* USER CODE BEGIN WHILE */

    // 开始定时器单个通道的pwm输出
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2); 

    while (1)
    {
        int i;
        
        // 比较寄存器的值缓慢递增
        for (i = 0; i < 1000; i += 5)
        {
            __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, i);
            HAL_Delay(1);
        }
        
        // 比较寄存器的值缓慢递减
        for (i = 1000; i > 0; i -= 5)
        {
            __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, i);
            HAL_Delay(1);
        }
        
        /* USER CODE END WHILE */

        /* USER CODE BEGIN 3 */
    }
    /* USER CODE END 3 */

运行

你应该看到乐一地亮度在不停的变化

实践3: 蜂鸣器

目标

驱动扩展板上的蜂鸣器发声

原理

通过Timer输出方波，修改波形频率以改变蜂鸣器的音高。

440hz为音符A5的频率，可以先尝试只发出一个音符

这里使用midi音符编号(midikey)来标记音符，可以通过特定的表达式计算特定音符的频率。

1

freq = 440*pow(2,(midikey-69)/12.0);

配置CubeMX

配置CubeMX和呼吸灯的操作非常类似，主要是代码上的区别。

可以把第一个空项目复制一份改个名字，不用每次都调那几个基本参数

在CubeMX中的Pinout & Configuration页面，右侧的芯片图那里，将PA8引脚设置为TIM1_CH1

配置TIM1以及它的Channel1：

  • 最左侧外设列表 Timers -> TIM1 -> 中间上方Mode
    • Clock Source 选择Internal Clock
    • Channel1 选择PWM Generation CH1
  • 左侧外设列表 Timers -> TIM1 -> 中间下方Configuration -> Parameter Settings页面
    • Counter Settings -> 设置Prescaler 预分频器
    • Counter Settings -> Conter Period 重装载寄存器，这里不做设置在代码中修改
    • PWM Generation Channel 1 -> Pulse 比较寄存器，这里不做设置在代码中修改

我在Prescaler中填入了72-1，在预分频后可以得到1MHz的频率，通过在程序中动态改变重装载寄存器的值，可以获得15Hz以上的音高

记得点Generate Code

代码

添加计算频率用的math.h头文件

1
2
3
4

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "math.h"
/* USER CODE END Includes */

新定义一个singtone函数以播放单个音符，添加在main函数之前

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
void singtone(int midikey, int time)
{
    // 计算频率
    int freq = 440*powf(2,(midikey-69)/12.0);
    // 计算arr和cmp
    int arr = 1000000/freq;
    int cmp = arr/2;
    // 重置上一个音符的累计数值(坑)
    __HAL_TIM_SetCounter(&htim1, 0);
    // 设置频率
    __HAL_TIM_SetAutoreload(&htim1, arr-1);
    __HAL_TIM_SetCompare(&htim1, TIM_CHANNEL_1, cmp-1);
    // 播放音符
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_Delay(time);
    HAL_TIM_PWM_Stop(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}
/* USER CODE END 0 */

注意：如果切换音符时不重置累计数值，如果ARR’<ARR，且恰好ARR’<CNT<ARR，计数器已经超过当前计数上限，则CNT不会自动重置，只能等待其计数到溢出后从0重新计数，所以会导致发声停顿。

由于只在启动时播放一次，播放音符的代码就写在main函数的while外面吧。

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
    singtone(72, 200); // C6 200ms
    singtone(74, 200); // D6 200ms
    singtone(79, 200); // G6 200ms
    while (1)
    {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    }
  /* USER CODE END 3 */

运行

你应该听到大疆设备经典的启动声音

更高级的用法

参考文档

输入输出源的选择

img

时钟输入源 Clock Source

  • 内部时钟 CK_INT 来自 APB timer clock
  • 外部引脚 ETR2 引出到芯片外部的 TIMx_ETR 引脚
  • 在 External Clock Mode 1 下由触发信号 TRGI 作为时钟 TRGI 信号的来源是可以配置的

触发输入信号来源 TRGI (Slave Mode 配置)

  • 外部引脚 ETR1 引出到芯片外部的 TIMx_ETR 引脚
  • 其它定时器 ITRx 每个定时器的 ITRx 输入都连接到一个特定定时器的 TRGO 输出上，具体需要查datasheet
  • 通道输入极性 TIxFPx 引出到芯片外部的 TIMx_CHx 引脚经过滤波和极性选择的信号
  • 通道输入边沿 TIxF_ED 引出到芯片外部的 TIMx_CHx 引脚经过滤波和极性选择的边沿信号

参考自RM0090的TIMx_SMCR从模式选择

触发输出信号来源 TRGO (Master Mode 配置)

  • 复位：TIMx_EGO->UG （UG位由软件写1时重置计数器并生成更新事件）
  • 使能：CNT_EN （定时器使能）
  • 更新：发生更新事件时（向上/向下计数到达末端，或者重置）产生脉冲
  • 比较脉冲：OCx 当发生捕获或比较成功时产生脉冲
  • 比较：OCxREF使用某一通道的输出比较电平作为触发输出

参考自RM0090的TIMx_CR2控制寄存器

发生中断/DMA请求

  • 计数器发生更新（溢出、初始化）：UI, UD
  • 触发事件（计数器启动、停止、初始化）：TI, TD
  • 输入捕获/输出比较（捕获/比较寄存器=计数器）：CCxI, CCxD

参考自RM0090的TIMx_DIER中断使能寄存器

我的总结

一些事件的名词

  • 复位事件：软件写入TIMx_EGO的UG位进行复位（初始化）
  • 溢出事件：向上/向下计数到达边沿时
  • 更新事件：复位事件 或 溢出事件 发生时
  • 捕获/比较事件：计数器=捕获/比较寄存器时
  • 触发事件：TRGI发生时

更多的HAL函数

这些启停函数命名方式为：HAL_TIM_功能_Start/Stop_附加功能()

  • 功能包含：Base(公共时基单元), PWM(单个通道PWM), IC(单个通道输入捕捉), OC(单个通道输出比较), Encoder(单个通道编码器功能),
  • 附加功能可以选：_IT(启用当前功能的中断请求), _DMA(启用当前功能的DMA请求)

虽然这些函数不是互相独立的，但是可以认为这些函数在常用的情况下不会互相干扰。

回调函数

记得在NVIC处使能中断，同时以中断模式启动定时器

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17

// 定时器发生溢出时调用
__weak void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback (TIM_HandleTypeDef *htim);

// 输出比较模式下，比较事件发生时调用（值相等时）
__weak void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback (TIM_HandleTypeDef *htim);

// 输入捕捉模式下，捕捉事件发生时调用（）
__weak void HAL_TIM_IC_CaptureCallback (TIM_HandleTypeDef *htim);

// PWM模式下，一个脉冲周期完成时调用
__weak void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback (TIM_HandleTypeDef *htim);

// TRGI事件发生时调用（TRGI信号来源可以配置）
__weak void HAL_TIM_TriggerCallback (TIM_HandleTypeDef *htim);

// 发生错误时调用
__weak void HAL_TIM_ErrorCallback (TIM_HandleTypeDef *htim);

https://os.mbed.com/teams/Senior-Design-Sound-Monitor/code/STM32L4xx_HAL_Driver/docs/tip/group__TIM__Exported__Functions__Group9.html