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5.5 STM32驱动开发-通用与高级定时器

前言

这里主要讲解 Breeze Mini 的内部定时器，完整代码在工程目录下的 Drivers 子目录下的 stm32f10x_driver_timer.c 和 stm32f10x_driver_timer.h 中，该代码主要是驱动定时器产生不同时间长度的定时中断来控制main函数调用相应函数，进而实现 中断嵌套 功能。同时也是为了后面讲解PWM功能模块做铺垫。

相关知识

通用定时器

STM32F1系列的通用定时器是一个通过可编程预分频器 (PSC) 驱动的16位自动装载计数器 (CNT)，其被用于：测量输入信号的脉冲长度 (输入捕获) 和产生输出波形 (输出比较和脉冲宽度调制)，使用PSC和RCC时钟控制预分频器，脉冲长度和波形周期可以在几个微秒到几个毫秒之间调整。STM32的每个通用定时器都是独立的，可以单独使用，每个通用定时器功能包括：

1. 具有一个16位向上、向下或向上向下自动装载计数器(TIMx_CNT)

2. 具有一个16位可编程预分频器(TIMx_PSC)，计数器时钟频率的分频系数范围为1~65535

3. 拥有4个独立通道，可以被分别配置成如下功能：

   1. 输入捕获

   2. 输出比较

   3. PWM输出(边缘或中间对齐模式)

   4. 单脉冲模式输出

4. 具有可使用外部信号 (TIMx_ETR) 控制定时器与定时器互联的同步电路

5. 具有事件中断响应能力，事件源有：

   1. 更新：计数器溢出和计数器初始化(通过软件或内部/外部触发)

   2. 触发事件：计数器启动、停止、初始化或由内部/外部触发计数

   3. 输入捕获

   4. 输出比较

   5. 针对定位的增量(正交)编码器和霍尔传感器电路

   6. 触发输入作为外部时钟或按周期的电流管理

常见问题

问题：定时器和计数器是什么关系？

答：定时器的定时功能本质上是通过计数器 "比着" 时钟脉冲计数来实现的，可以 "比着" 脉冲的上升沿，也可以是下降沿。正是由于每次计数器都是 "对齐" 时钟脉冲计数，所以将 计数的次数乘上时钟脉冲周期就可以得到定时的大小。

问题：定时器定时与时钟频率之间的关系是怎样的？

答：定时的大小=计数器计数值*时钟脉冲周期 (时钟频率倒数)，由于计数器最大计数值是确定的，所以当时钟频率越小 (时钟周期越大) 时，定时越长，但同时也会使得 "定时分辨率" 降低。比如5MHz的时钟产生的单位定时为1 / 5 = 0.2us，而10MHz时钟产生的单位定时为1 / 10 = 0.1us。由此可见，10MHz的 "定时分辨率" 更高。

更多有关寄存器的内容可以直接参考 STM32寄存器手册 第253页通用定时器一章，为了能够更加清楚地了解通用定时器的功能，下面会简单介绍一些与定时功能密切相关的寄存器。

相关寄存器介绍

TIMx_CR1寄存器

TIMx_CR1是TIMx的控制寄存器，该寄存器的各位描述如下图所示：

从上图描述可以看出，TIMx_CR1的第0位控制计数使能，只有该位置1，才能开启定时器计数。第4位设置计数的方向，第5和6位设置计数对齐方式，第8和9位设置定时器时钟分频因子。

TIMx_DIER寄存器

TIMx_DIER是TIMx的DMA/中断使能寄存器，该寄存器各位描述如下图所示：

这里只需要关注该寄存器的第0位，该位是更新中断使能位，设置该位为1则允许更新事件产生中断。

TIMx_PSC寄存器

TIMx_PSC是TIMx的预分频寄存器，该寄存器用于对时钟进行分频，然后提供给计数器，以作为计数器的时钟。该寄存器的各位描述如下图所示：

这里定时器的时钟来源有4个：

1. 内部时钟(CK_INT)

2. 外部时钟模式1(外部输入脚TIx)

3. 外部时钟模式2(外部触发输入ETR)

4. 内部触发输入(使用另一个定时器给本定时器提供时钟)

具体选择哪个时钟源可以通过 TIMx_SMCR 寄存器的对应位来设置，这里的CK_INT时钟是从APB1总线时钟倍频得来的，而高级定时器的内部时钟来自于APB2总线时钟。

TIMx_CNT寄存器

TIMx_CNT是TIMx的计数寄存器，该寄存器存储有当前定时器的计数值。

TIMx_ARR寄存器

TIMx_ARR是TIMx的自动装载计数器，该寄存器在物理上对应着2个寄存器，1个是可以被操作的，被称为 预装载寄存器，还有1个是被操作不了的，这个操作不了的寄存器被称为 影子寄存器。实际上真正起作用的是影子寄存器，根据TIMx_CR1寄存器中APRE位的设置：

APRE = 0 //预装载寄存器的内容可以随时送到影子寄存器中，两者是相连的
APRE = 1 //只有在每次更新事件时才把预装载寄存器的内容送到影子寄存器中

该寄存器的各位描述如下图所示：

TIMx_SR寄存器

TIMx_SR是TIMx的状态寄存器，该寄存器用来标记定时器事件和中断是否发生，该寄存器各位描述如下图所示：

关于定时器更多的详细描述请参考 STM32寄存器手册 第282页，只要对上面介绍的寄存器进行设置，就可以使用通用定时器产生要求的定时信号。

高级定时器

高级定时器在 Breeze Mini 飞控代码中没有被使用，所以这里就不再进行介绍。

固件库配置定时器

定时器相关的库函数在 FWLib 目录下的 stm32f10x_tim.c 和 stm32f10x_tim.h 中。这里以通用定时器TIM3为例来介绍如何通过官方固件库来操作、配置定时器。首先由于TIM3是APB1总线下的外设，所以需要先使能APB1外设对应于TIM3的时钟，调用的函数是：

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

然后初始化定时器参数，设置自动重装载值，分频系数和计数方式等，在库函数中定时器的初始化是通过函数 TIM_TimeBaseInit 实现的，其原型为：

void TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef* TIMx,
                      TIM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStruct)

第一个参数表示待初始化的是哪个定时器，第二个参数表示定时器初始化参数结构体，该结构体的定义为：

typedef struct
{
    uint16_t TIM_Prescaler;
    uint16_t TIM_CounterMode;
    uint16_t TIM_Period;
    uint16_t TIM_ClockDivision;
    uint8_t TIM_RepetitionCounter;
} TIM_TimeBaseInitTypeDef;

这个结构体一共有5个成员变量，对于通用定时器来说只有前4个参数有用，最后一个参数 TIM_RepetitionCounter 没用(该参数只对高级定时器有用)。

第一个成员变量 TIM_Prescaler 是用来设置时钟分频系数的，第二个成员变量 TIM_CounterMode 是用来设置计数方式的，可以设置成 向上、向下 和 中央对齐 计数模式。第3个是设置自动重载计数周期值，第4个是设置时钟分频因子，针对TIM3初始化的代码格式一般如下：

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; 
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 5000;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7199;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

接着设置TIM3_DIER允许更新中断，在库函数中使能定时器中断的函数是 TIM_ITConfig，其原型为：

void TIM_ITConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT,
                  FunctionalState NewState);

第一个参数表示要被初始化的定时器标号，比如 TIM3，第二个参数表示要使能的定时器中断的类型，比如 更新中断TIM_IT_Update，触发中断TIM_IT_Trigger 等。比如要使能TIM3的更新中断，其代码为：

TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);

接着是设置TIM3的中断优先级，因为是要通过中断的方式来产生定时，所以需要设置NVIC相关寄存器的值，NVIC具体设置的方法在前面 STM32驱动开发-中断向量控制 中有详细的介绍，这里就不再重复讲解。设置完成后还要编写中断任务函数，当相应定时器中断发生时，通过检测状态寄存器TIMx_SR的值来判断产生的中断类型，比如我们使用的是TIM3的 更新中断，则只需检测TIM3_SR的最低位即可，注意当执行完中断服务函数后要置 TIM3_SR的最低位为0来清除中断标志。在固件库中用来读取并判断SR寄存器的值的函数为：

ITStatus TIM_GetITStatus(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT);

该函数用于判断定时器TIMx的中断类型 TIM_IT 是否发生，比如若要判断TIM3是否发生更新(溢出)中断，方法为：

if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) {}

固件库中清除中断标志位的函数是：

void TIM_ClearITPendingBit(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT);

该函数使用起来非常简单，比如我们要清除TIM3的更新(溢出)中断的标志位的代码是：

TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);

通过调用以上介绍的固件库函数就可以实现定时器的定时功能了。

硬件连接

通用定时器属于 Breeze Mini 主微控制器STM32F103TBU6的内部外设，所以是没有外部电路连接的。

软件设计

参考

• STM32开发指南-库函数版本_V3.1.pdf, 正点原子, ALLENTEK.