STM32之五：TIM定时器（2-通用定时器）

通用定时器（TIM2~5）框图

1、输入时钟源选择

2、时基单元

3 、输入捕获：（IC—Input Capture）

3.1 输入捕获通道框图（TI1为例）

3.1.1 滤波器：

3.1.2 边沿检测器：

3.1.3 捕获通道：

3.2 PWM输入模式

4、输出比较：（OC—Output Compare）

4.1 PWM

4.2 PWM模式

4.3 PWM参数计算

4.4 相关寄存器

5、 GPIO配置

在前一章节，我们介绍了STM32的基本定时器STM之四：TIM定时器（1-基本定时器），本节介绍通用定时器，通用定时器包含基本定时器的所有功能，除此之外，其还能有输入捕获、输出比较、编码器接口、主从触发模式等功能。

通用定时器（TIM2~5）框图

可以将通用定时器框图分为4部分，其中第一部分为输入时钟源选择；第二部分为时基单元；第三部分为输入捕获；第四部分为输出比较。

1、输入时钟源选择

有4种选择方式：

内部时钟(CK_INT)：时钟信号来自于芯片内部，等于72M，一般情况下都是使用内部时钟。
外部时钟模式1：时钟信号来自于定时器的输入通道，即TI1/2/3/4。
外部时钟模式2：时钟信号来自于定时器的特定输入通道TIMx_ETR。
内部触发输入（ITRx）：使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器，用来实现定时器同步或级联，主模式的定时器可以对从模式定时器执行复位、启动、停止或提供时钟。

2、时基单元

这部分可参考STM之四：TIM定时器（1-基本定时器）2.2.3章节部分。此处讲解与基本定时器不同的部分。基本定时器的计数器只能向上计数，但是通用定时器的计数器有三种模式，分别是：向上计数，向下计数，中心对齐模式。

向上计数：计数器从0开始计数，CK_CNT每来一个脉冲，计数器就+1，直到计数器的值与自动重装载寄存器ARR的值相等。此时计数器从0开始重新计数并生成计数器上溢事件。
向下计数：计数器初始值=自动重装载寄存器ARR的值，CK_CNT每来一个脉冲，计数器CNT的值就减1，直到计数器的值为0。此时计数器从ARR的值开始重新计数并生成计数器下溢事件。
中心对齐模式：计数器从0开始向上计数，直到CNT的值等于(ARR-1)时生成计数器上溢事件，然后从ARR的值开始向下计数，直到CNT的值等于1时生成计数器下溢事件。

3 、输入捕获：（IC—Input Capture）

输入捕获可以用来测量脉冲宽度或者测量频率。在输入捕获模式下，当检测到TIMx_CHx上的边沿信号发生跳变的时候，将当前定时器的值（TIMx_CNT）存放到对应的通道的捕获/比较寄存器（TIMx_CCRx）里面，完成一次捕获。

例如通过输入捕获来捕获高电平脉宽。常用的做法可以先设置TIMx_CHx为上升沿检测，记录发生上升沿的时候TIMx_CNT的值。然后配置捕获信号为下降沿捕获，当下降沿到来时，发生捕获，并记录此时的TIMx_CNT的值。这样前后两次TIMx_CNT之差，就是高电平的脉宽。

3.1 输入捕获通道框图（TI1为例）

观看框图，我们可以发现，输入通道TI1首先进入到滤波器输出为TI1F，滤波器还有另外两个输入项：fDTS和ICF[3:0]，之后TI1F经过边沿检测器后输出为TI1FP1，之后将输入通道的信号(TI1FP1/TI2FP2)映射到捕获通道IC1上，经分频器后输入IC1PS中，接入到输入/捕获寄存器。TI1FP1另外还有一个输出至从模式控制器，从模式控制器可以在捕获之后自动完成CNT的清零工作，一般常用于PWM模式下（下文4.1章节有介绍PWM）。下面我们分别介绍这几个阶段。

3.1.1 滤波器：

滤波器的作用是对高频信号进行滤波，重新采样。根据采样定律，采样的频率必须大于等于两倍的输入信号。滤波器的配置由CR1寄存器的CKD位和CCMR寄存器的ICxF位来控制。

这个看的时候很难理解，看到正点原子这里解释的易懂，可参考下。

输入捕获1滤波器IC1F[3:0]用来设置输入采样频率和数字滤波器长度，见下图。其中 $f_{CK\_INT}$ 是定时器的输入频率(TIMxCLK，这个不了解可以看前面基本定时器章节的框图)，一般是72MHz，而 $f_{DTS}$ 则是根据TIMxCR1寄存器的CKD[1:0]位来设置的，如果CKD[1:0]=00，则 $f_{DTS}$ = $f_{CK\_INT}$ ，N值是滤波长度。

举个例子：假设IC1F[3:0]=0011，并设置IC1映射到通道1上，且为上升沿触发，那么在捕获到上升沿的时候，再以 $f_{CK\_INT}$ 的频率连续采样到8次通道1的电平，如果都是高电平，则说明是一个有效的触发，就会触发输入捕获中断（如果开启了的话）。这样可以滤掉那些高电平脉宽低于8个采样周期的脉冲信号，从而达到滤波的效果。

CKD[1:0]是时钟分频因子，决定 $f_{DTS}$ ， $f_{DTS}$ 是 $f_{CK\_INT}$ 经过分频后得到的频率，其关系见下图CKD位描述。

3.1.2 边沿检测器：

边沿检测器用来设置捕获什么边沿的信号，可以是上升沿、下降沿、或者是双边沿，可通过配置捕获/比较使能寄存器TIMx_CCER的CCxP位决定，CCxP=0是上升沿捕获。

3.1.3 捕获通道：

共有4个捕获通道，即IC1/2/3/4，每个捕获通道都有相对应的捕获寄存器CCR1/2/3/4，当发生捕获的时候，计数器CNT的值就会被锁存到捕获寄存器CCR中。

这里要搞清楚输入通道和捕获通道，4个输入通道分别为TI1/2/3/4，是为了输入信号的，而捕获通道是用来捕获输入通道的信号的。输入通道并不是一一对应捕获通道的，一个输入通道的信号可以同时输入给两个捕获通道。

看下图，输入通道TI1可以占用捕获通道IC1和IC2，输入通道TI2可以占用捕获通道IC1和IC2，输入通道TI3可以占用捕获通道IC3和IC4，输入通道TI4可以占用捕获通道IC3和IC4。这样进行交叉连接的目的是两个： 1.一个输入通道灵活切换两个捕获通道，可以灵活切换后续捕获电路的输入； 2.两个通道同时捕获一个引脚，可以把一个引脚的输入，同时映射到两个捕获单元，这也是PWM输入捕获的经典结构，实现两个通道（IC）对一个引脚（TI）进行捕获，就可以同时测量频率和占空比，具体可详见下面3.2章节PWM输入模式。

输入通道和捕获通道（来源：
辰哥单片机设计 STM32-定时器详解，侵删。这个图比较清晰，一目了然）

通过TIMxCMMRx寄存器的CCxS位可以配置捕获通道映射在那个输入通道上，详看下图：

看完上面的说明，在读下参考手册的输入捕获模式的介绍，应该就会有一个全面的了解了。

B站江协科技up主对于输入捕获总结的很详细，此处引用其总结框图

3.2 PWM输入模式

PWM模式是输入捕获的一个特殊情况，在该模式下同一个输入通道(例如TI1)占用两个捕获通道(IC1和IC2)，两个通道的捕获边沿极性相反（因为PWM输入捕获模式下，其中一个捕获通道测量周期，另外一个捕获通道测量占空比，周期需要捕获两个连续的相同边沿例如两个上升沿来进行测量，但是测量占空比需要捕获一个上升沿，之后紧接着捕获一个下降沿来测量高电平脉宽，因此两个捕获边沿极性相反）。

CCR对CNT进行捕获之后，需要对CNT进行一次清0操作，这样每次捕获得到的值才是两个上升沿（下降沿）之间的时间间隔。这个清零操作，可以使用主从模式通过硬件自动完成。由输入捕获输入部分框图来看，TI1FP1信号可以通向从模式控制器，从模式控制器可以通过硬件电路自动完成CNT清零操作。

下面我们看下主模式、从模式、触发源这三个概念。

主模式可以将定时器内部的信号映射到TRGO引脚，用于触发其他外设的操作；从模式可以接收其他外设或自身外设的一些信号，用于触发自己的一些操作（定时器的运行）；触发源选择，即选择从模式的触发信号源功能，也可以认为它是从模式的一部分。

主从模式可以使用TIMx_CR2寄存器的MMS位进行配置。

从模式控制寄存器TIMx_SMCR的SMS位可以进行从模式选择，TS位进行触发选择。

同样，参考手册中对于PWM输入模式说明的也很详细，可参考理解。

同样，引入B站江协科技UP的总结框图，有利于记忆和理解。

首先TI1FP1配置上升沿触发，触发捕获和清零CNT，正常的捕获周期，再来一个TI1FP2，配置为下降沿触发，通过交叉通道去触发通道2的捕获单元（最开始上升沿CCR1捕获同时清零CNT，之后CNT一直加，然后在下降沿时刻触发CCR2捕获，这时CCR2的值就是CNT从上升沿到下降沿的计数值也就是高电平期间的计数值，CCR2捕获并不触发CNT清零，所以CNT继续加，直到下一次上升沿，CCR1捕获周期并CNT清零，这样执行之后CCR1就是一整个周期的计数值，CCR2就是高电平期间的计数值，用CCR2/CCR1就是占空比，以上就是PWMI模式使用两个通道来捕获频率和占空比的思路

4、输出比较：（OC—Output Compare）

输出比较功能是用来控制一个输出波形，就是通过定时器的外部引脚对外输出控制信号，可输出八种模式，具体哪种模式可由捕获/比较模式寄存器TIMx_CCMRx的OCxM[2:0]位配置。

其中使用最常见的是PWM模式。

4.1 PWM

PWM（Pulse Width Modulation）简称脉宽调制，是一种利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术。

4.2 PWM模式

定时器输出比较的PWM模式可以产生一个由TIMx_ARR寄存器确定频率、由TIMx_CCRx寄存器确定占空比的信号。在PWM模式下，TIMx_CNT和TIMx_CCRx始终在进行比较，根据比较值对输出进行置1、置0或者翻转的操作。

以CCR1为例，CNT和CCR1经过比较，将比较值输入到输出模式控制器中，输出模式控制器共有8种模式（即为上图输出比较模式的8种），PWM下可以选择PWM1和PWM2模式，这两种模式不同之处在于输出的极性相反。输出模式控制器输出一个oc1ref信号，该信号为输出参考信号，该信号后续有两路输出，其中一路输出至主模式控制器，PWM模式下不关注这个。另外一路输出至一个选择器，该选择器由TIMx_CCER寄存器CCxP控制，若oc1ref为0，则直接接入到输出使能电路。若oc1ref为1，则该信号通过非门跳转信号接入至输出使能电路。输出使能电路由TIMx_CCER寄存器TIMx_CCxE位控制，后续经过OC1通道输出信号。