【江协STM32】6-1/2 TIM定时中断、定时器定时中断&定时器外部时钟

标签：TIM2 定时器中断 NVIC TIM 定时时钟

1. TIM定时中断

1.1 TIM简介

TIM（Timer）定时器
定时器可以对输入的时钟进行计数，并在计数值达到设定值时触发中断
16位计数器（执行计数定时的一个寄存器，每来一个时钟，计数器加1）、预分频器（可以对计数器的时钟进行分频，使计数更灵活）、自动重装寄存器（计数的目标值，就是想要计多少个时钟申请中断）的时基单元，在72MHz计数时钟下可以实现最大59.65s的定时
不仅具备基本的定时中断功能，而且还包含内外时钟源选择、输入捕获、输出比较、编码器接口、主从触发模式等多种功能
根据复杂度和应用场景分为了高级定时器、通用定时器、基本定时器三种类型

1.2 定时器类型

STM32F103C8T6定时器资源：TIM1、TIM2、TIM3、TIM4

1.2.1 基本定时器

内部时钟的来源是RCC_TIMxCLK，频率值一般都是系统的主频72MHz，所以通向时基单元的计数基准频率就是72MHz
时基单元—预分频器(PSC)：对72MHz的计数时钟进行预分频。
实际分频系数 = 预分频器的值 + 1。比如预分频器写0，就表示不分频，或者说是1分频，输出频率=输入频率=72MHz；如果预分频器写1，就表示2分频，输出频率=输出频率/2=36MHz；如果预分频器写2，就表示3分频...
时基单元—计数器(CNT)：对预分频后的计数时钟进行计数。计数时钟每来一个上升沿，计数器的值就加1。计数器是16位的，所以里面的值可以从0一直加到65535。计数器的值在计时过程中会不断地自增运行，当自增运行到目标值时，产生中断，那就完成了定时的任务
时基单元—自动重装寄存器(ARR)：保存计数目标。16位
框图右下角向上的折线箭头UI，代表这里会产生中断信号。由计数值等于自动重装值产生的中断，称为更新中断。这个更新中断之后就会通往NVIC。
框图右下角向下的拆线箭头U，代表这里会产生一个事件。由计数值等于自动重装值产生的事件，称为更新事件。更新事件不会触发中断，但可以触发内部其他电路的工作。
主模式触发DAC：使用DAC时，可能会用DAC输出一段波形，这就需要每隔一段时间来触发一次DAC，使其输出下一个电压点。如果用正常思路来实现，就是先设置一个定时器产生中断，每隔一段时间在中断程序中调用代码手动触发一次DAC转换，然后DAC输出。这种思路没有问题，但是这样会使主程序处于频繁被中断的状态，影响主程序的运行和其他中断的响应，所以定时器就设计了一个主模式，使用这个主模式可以把这个定时器的更新事件映射到触发输出TRGO(Trigger Out)的位置，然后TRGO直接接到DAC的触发转换引脚上，这样定时器的更新就不需要再通过中断来触发DAC转换了。整个过程不需要软件的参与，实现了硬件的自动化，这就是主模式的作用。
计数模式为向上计数，也就是计数器从0开始，向上自增，计到重装值，清零同时申请中断。然后开始下一轮，依次循环。

1.2.2 通用定时器

通用定时器的计数模式：

支持的计数模式有向上计数模式、向下计数模式和中央对齐模式。
向下计数模式就是从重装值开始，向下自减，减到0之后，回到重装值同时申请中断。然后继续下一轮，依次循环。
中央对齐模式就是从0开始，先向上自增，计到重装值，申请中断，然后再向下自减，减到0，再申请中断。然后继续下一轮，依次循环。

通用定时器的时钟源：

时钟来源不仅有内部时钟（系统频率72MHz），还可以选择外部时钟。
TIMx_ETR引脚上的外部时钟：可以在TIM2的ETR引脚，也就是PA0上接一个外部方波时钟。然后配置一下内部的极性选择、边沿检测和预分频器电路，再配置一下输入滤波电路，这两块电路可以对外部时钟进行一定的整形，因为是外部引脚的时钟，所以存在毛刺，这此电路就可以对输入的波形进行滤波。最后，滤波后的信号分两路。
上面一路ETRF进入触发控制器，紧跟着就可以选择作为时基单元的时钟了。如果你想在ETR外部引脚提供时钟，或者想对ETR时钟进行计数，把这个定时器当计数器来用的话，那就可以配置这一路的电路，在STM32中，这一路也叫做“外部时钟模式2”。
下面一路也可以提供时钟，就是TRGI(Trigger In)，它主要是用作触发输入来使用的，触发输入可以触发定时器的从模式。本小节讲的是触发输入作为外部时钟来使用的情况，暂且可以把TRGI当做外部时钟的输入来看。当这个TRGI当做外部时钟来使用的时候，这一路就叫做“外部时钟模式1”。
通过下面一路的外部时钟有，第一，ETR引脚信号，ETR引脚既可以通过上面一路进入作为时钟，又可以通过下面一路进入作为时钟，这两种情况对于时钟输入而言是等价的，只不过下面一路的输入会占用触发输入的通道；第二，ITR信号，这一部分的时钟信号来自其他定时器，从右边可以看出，主模式的输出TRGO可以通向其他定时器，通向其他定时器的时候，就接到了其他定时器的ITR引脚上来了。ITR0到ITR3分别来自其他4个定时器的TRGO输出，具体连接方式如下表。通过这一路可以实现定时器级联的功能。比如可以先初始化TIM3，然后使用主模式把它的更新事件映射到TRGO上，接着再初始化TIM2，选择ITR2，对应的就是TIM3的TRGO，然后再选择时钟为外部时钟模式1，这样TIM3的更新事件就可以驱动TIM2的时基单元，也就实现了定时器的级联。
TI1F_ED：接连输入捕获单元的CH1引脚，也就是从CH1引脚的边沿获得时钟，后缀ED(Edge)是边沿的意思。通过这一路输入的时钟，上升沿和下降沿均有效。
TI1FP1、TI1FP2：TI1FP1连接到了CH1引脚的时钟，TI1FP2连接到了CH2引脚的时钟。
总结一下，外部时钟模式1的输入可以是ETR引脚、其他定时器、CH1引脚的边沿、CH1引脚和CH2引脚。

编码器接口：可以读取正交编码器的输出波形。

输出比较电路：右下角，从“捕获/比较1寄存器”到“TIMx_CH4”的矩形区域。总共有四个通道，可以用于输出PWM波形，驱动电机。

输入捕获电路：左下角，从“TIMx_CH1”到“捕获/比较4寄存器”的矩形区域。总共有四个通道，可以用于测量输入方波的频率等。

捕获/比较寄存器：输入捕获和输出比较电路共用。因为输入捕获和输出比较不能同时使用，所以这里寄存器是共用的，引脚也是共用的。

ITR和定时器的连接关系
（例：TIM2的ITR0是接在了TIM1的TRGO上的）

1.2.3 高级定时器

支持的计数模式有向上计数模式、向下计数模式和中央对齐模式。

重复次数计数器：可以实现每隔几个计数周期，才发生一次更新事件和更新中断

DTG：死区生成电路，右边的输出引脚，由一个变为了两个互补的输出，可以输出一对互补的PWM波。这些电路主要是为了驱动三相无刷电机的。为了防止互补输出的PWM驱动桥臂时，在开关切换的瞬间，由于器件的不理想，造成短暂的直通现象，所以在前面加上了死区生成电路。在开关切换的瞬间，产生一定时长的死区，让桥臂的上下管全都关断，防止直通现象。第四路输出没有DTG，因为三相电机只需要三路就可以了。

刹车输入：左下角，给电机驱动提供安全保障。如果外部引脚TIMx_BKIN产生了刹车信号，或者内部时钟失效产生了故障，那么控制电路就会自动切断电机的输出，防止意外的发生。

1.3 定时中断基本结构

1.4 时序图

1.4.1 预分频器时序

CK_PSC：预分频器的输入时钟
CNT_EN：计数器使能，高电平计数器正常运行，低电平计数器停止
CK_CNT：计数器时钟，它既是预分频器的时钟输出，也是计数器的时钟输入

计数器计数频率：CK_CNT = CK_PSC / (PSC + 1)

1.4.2 计数器时序

计数器溢出频率：CK_CNT_OV = CK_CNT / (ARR + 1)
= CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)

1.4.2.1 计数器无预装时序

就是没有缓冲寄存器的情况。通过设置ARPE位，可以选择是否使用预装功能。

计数器正在计数，突然更改了自动重装寄存器，由FF改成了36，那计数值的目标就由FF变成了36，所以计数器寄存器计到36之后，就直接更新，开始下一轮计数。

1.4.2.2 计数器有预装时序

就是有缓冲寄存器的情况。

在计数的中途，突然把计数目标由F5改成了36，但影子寄存器还是F5，所以现在计数的目标还是计到F5产生更新事件，同时，要更改的36才被传递到影子寄存器，在下一个计数周期这个更改的36才有效。所以引入影子寄存器的目的是同步，就是让值的变化和更新事件同步发生，防止在运行途中更改造成错误。

如果不使用影子寄存器，F5改到36立刻生效，但此时计数器数值已经到了F1，已经超过36了，F1只能增加到FFFF，再回到0，再加到36，才能产生更新。

1.5 RCC时钟树

STM32用来产生和配置时钟，并且把配置好的时钟发送到各个外设的系统。

程序中主函数之间会执行SystemInit函数，这个函数就是用来配置这个时钟树的。

中间AHB（不含）左边的都是时钟的产生电路，AHB（含）右边的都是时钟的分配电路。

在时钟产生电路，有四个震荡源，从上到下分别是内部的8MHz高速RC振荡器、外部的4-16MHz高速石英晶体振荡器（也就是晶振，一般接8MHz）、外部的32.768KHz低速晶振（一般给RTC提供时钟）、内部的40KHz低速RC振荡器（可以给看门狗提供时钟）。上面两个高速晶振是用来提供系统时钟的，AHB、APB2、APB1的时钟均来源于这两个高速晶振，外部的石英振荡器比内部的RC振荡器更加稳定，所以一般用外部晶振。

CSS：时钟安全系统，负责切换时钟。它可以监测外部时钟的运行状态，一旦外部时钟失效，它就会自动把外部时钟切换回内部时钟，保证系统时钟的运行，防止程序卡死。

2. 定时器定时中断

2.1 接线图

2.2 代码

初始化定时器的步骤：

初始化时钟RCC
选择时基单元的时钟源（对于定时中断，选择内部时钟源）
配置时基单元（包括PSC、CNT、ARR）
配置输出中断控制，允许更新中断输出到NVIC
配置NVIC，在NVIC中打开定时器中断的通道，并分配一个优先级
运行控制

整个模块配置完成后，还需要使能一下计数器。当定时器使能后，计数器就会开始计数，当计数器更新时，触发中断。最后再写一个定时器的中断函数，这样中断函数每隔一段时间就能自动执行一次了。

Timer.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

//extern uint16_t Num;

void Timer_Init(void)
{
	//	1、初始化时钟RCC TIM2
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);//	TIM2是APB1总线的外设
	
	//	2、选择时基单元的时钟源
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);//	因为定时器上电后默认就是使用内部时钟，所以此行可省略
	
	//	3、配置时基单元
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//	指定时钟分频，设置的是输入滤波的采样频率，与时基单元关系不大。这里随便选一个
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//	计数器模式，选择向上计数
	//	例如定时1s，计数器溢出频率：CK_CNT_OV=CK_CNT/(ARR+1)=CK_PSC/(PSC+1)/(ARR+1)=72M/(PSC+1)/(ARR+1)
	//	定时1s，也就是定时频率为1Hz。可以PSC给7200-1，ARR给10000-1
	//	注意：PSC和ARR的取值都要在0~65535之间
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 10000 - 1;//	自动重装器（ARR）的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 7200 - 1;//	预分频器（PSC）的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;//	重复计数器的值（高级定时器才有，不是CNT），不需要用，直接给0
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);//	刚初始化完会生成一次更新事件，会使Num刚复位就显示1
	//	手动清除一次更新事件，避免Num从1开始
	TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);//	手动清除更新中断标志位，避免刚初始化完就进中断
	
	//	4、配置输出中断控制
	TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);//	使能中断，选择更新中断
	
	//	5、配置NVIC
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;//	抢占优先级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;//	响应优先级
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	//	6、运行控制
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);//	启动定时器
}

/*
//	定时器2中断函数
void TIM2_IRQHandler(void)
{
	if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)//	检查中断标志位
	{
		//	主函数变量Num++。
		//	可以在本文档开头用extern；也可以直接将中断函数复制到主函数后面，Timer.c的中断函数需要注释掉。
		Num++;
		TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);//	清除中断标志位
	}
}
*/

Timer.h

#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H

void Timer_Init(void);

#endif

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device 
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Timer.h"

uint16_t Num;

//	每隔1s Num加1
int main(void)
{
		OLED_Init();
		Timer_Init();
		OLED_ShowString(1, 1, "Num:");
		OLED_ShowString(2, 1, "CNT:");
		while(1)
		{
				OLED_ShowNum(1, 5, Num, 5);
				OLED_ShowNum(2, 5, TIM_GetCounter(TIM2), 5);
		}
}

//	定时器2中断函数
void TIM2_IRQHandler(void)
{
	if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)//	检查中断标志位
	{
		//	主函数变量Num++。
		//	可以在本文档开头用extern；也可以直接将中断函数复制到主函数后面，Timer.c的中断函数需要注释掉。
		Num++;
		TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);//	清除中断标志位
	}
}

其他引用的头文件和c代码可在此处查阅：OLED.h（【江协STM32】4 OLED调试工具，第5节）、Delay.h（【江协STM32】3-2 LED闪烁&LED流水灯&蜂鸣器，第1.3节）

3. 定时器外部时钟

3.1 接线图

3.2 代码

与上一例代码基本相同，仅修改了Timer.c中的初始化时钟RCC、时基单元时钟源、ARR和PSC的取值，增加了GPIO初始化。

不需要使用内部时钟，修改初始化时钟第二步（选择时基单元的时钟源），改为通过ETR引脚的外部时钟模式2配置。

TIM_ETRClockMode2Config(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ExtTRGPrescaler, uint16_t TIM_ExtTRGPolarity, uint16_t ExtTRGFilter)

第一个参数是选择定时器，这里给TIM2。
第二个参数是外部触发预分频器，这里不需要分频。
第三个参数是外部触发的极性。TIM_ExtTRGPolarity_Inverted是反向，就是低电平或下降沿有效；TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted是不反向，就是高电平或上升沿有效。
第四个参数是外部触发滤波器，参数值为0x00~0x0F之间的一个值。就是以采样频率f采样N个点，如果N个点都一样，才会有效输出，这个值就是决定f和N的，具体对应关系如下图。
（视频里写的0x00，但不滤波很容易造成在实际中挡一下光数跳好几次，所以这里改成了0x0f）

引脚要用到GPIO，所以配置时钟时还需要配置GPIO。

GPIO_Mode可以从“STM32F10xxx参考手册”中查询（8.1.11 外设的GPIO配置），推荐配置为浮空输入。但由于浮空输入电平会一直跳动，这里给上拉输入。浮空输入一般用于外部输入信号功率很小，内部如果有上拉电阻可能会影响到输入信号。