MCU中的定时器

第一章定时器的应用场景

第二章定时器的原理

2.1 定时器的计数原理

1. 定时器的本质是一个计数器；

2. 计数器是对输入的系统频率信号进行计数；

3. 每来一个周期的信号，计数器的cnt 加一。如果周期T表示为1s，来三个周期就表示3s时间到达；如果系统时钟频率是120MHz，那么周期为T = (1/120)us，记录120次，t = 120 * T us = 1us时间到；

2.2 定时器的计数上限

2.3 定时器的预分频器

假定预分频器的值设置为120，总线给定时器的时钟频率为120MHZ；

在定时器的预分频器（Prescaler）设置为 120 的情况下，输入时钟频率为 120 MHz 时，预分频器会对输入的时钟信号进行分频。具体分频过程如下：

预分频器的功能：它的作用是将高频的输入时钟信号降低到适合计数器工作的频率。
预分频器设置为 120：意味着预分频器需要 120 个输入脉冲 才会输出 1 个脉冲。
输出到计数器的频率：输入时钟频率为 120 MHz，经过预分频器分频后，输出频率为：

f = 120MHz / 120 = 1 MHz

因此，输入到预分频器的 120 个脉冲，会转换成输出的 1 个脉冲，然后这个脉冲才会送到定时器的计数器。

总结：

预分频器 将输入的 120 MHz 时钟分频为 1 MHz。
计数器 以 1 MHz 的频率进行计数。

那么输入120个脉冲到预分频器后，才产生1个脉冲给计数器

2.4 定时器的硬件结构

2.5 定时器的时钟树

2.6 通用定时器和高级定时器

最直观的区别是通道个数；

第三章定时器输出PWM

3.1 应用举例

3.2 定时器利用输出比较产生PWM控制LED

3.2.1 GD32

如果T = 1us，周期为1us。每来一个脉冲计数器加一，并且将累计后的值CNT和输出比较值比较。如果小于输出比较值，输出高电平；如果大于输出比较值，输出低电平；
如果累加值累加到自动重装载值后，就会触发自动重载操作，将计数器中的累加值CNT置为为0，重新开始累加。

定时器配置

3.2.2 stm32F4

注意：

PF9口本来是一个普通的GPIO口，现在需要配置为定时器14的通道1，所以需要将IO口设置为复用功能；
配置定时器14输出100HZ的频率(周期为10ms)，

3.3 定时器利用输入捕获功能测量信号的周期频率或脉冲宽度

3.3.1 输入捕获的原理一

预分配一直给计数器周期性的脉冲，并且假定周期为T = 1us;
计数器每来一个脉冲，计数器中的CNT累加1。
突然某一个时刻，GPIO口的电平发生跳变(假定是一个上升沿)，此时会触发捕获事件以及和一个中断事件。
捕获事件将计数器中的值保存到输入捕获寄存器中保存着；
中断事件(中断函数中)将输入捕获寄存器中的值取出等待使用，假定为V1；
突然某一个时刻，GPIO口的电平又发生跳变(假定是一个上升沿)，此时会触发捕获事件以及和一个中断事件。
捕获事件将计数器中的值保存到输入捕获寄存器中保存着；
中断事件(中断函数中)将输入捕获寄存器中的值取出，假定为V2;

中断中将V2 - V1得到一个差值V3；V3 * T = V3 * 1us的结果就是输入的周期频率。

3.3.2 输入捕获的原理二

预分配一直给计数器周期性的脉冲，并且假定周期为T = 1us;
计数器每来一个脉冲，计数器中的CNT累加1。
突然某一个时刻，GPIO口的电平发生跳变(假定是一个上升沿)，此时会触发捕获事件以及和一个中断事件。
捕获事件将计数器中的值保存到输入捕获寄存器中保存着；
中断事件(中断函数中)将计数器中的值第一次置位为0；
突然某一个时刻，GPIO口的电平又发生跳变(假定是一个上升沿)，此时会触发捕获事件以及和一个中断事件。
捕获事件将计数器中的值保存到输入捕获寄存器中保存着；
中断事件(中断函数中)将计数器中的值读取出来为V1;

中断中将V1 * T = V1 * 1us的结果就是输入捕获的周期信号的频率。

3.3.3 代码示例；

project/

├── main.c // 主函数入口

├── tim_capture.c // 定时器输入捕获功能实现

├── tim_capture.h // 定时器输入捕获功能声明

1. 头文件 (tim_capture.h)

#ifndef TIM_CAPTURE_H
#define TIM_CAPTURE_H

#include "stm32f10x.h"

// 捕获功能初始化函数
void TIM2_InputCapture_Init(void);

// 获取捕获的周期（单位: 微秒）
uint32_t TIM2_GetPeriod(void);

#endif // TIM_CAPTURE_H

2. 源文件 (tim_capture.c)

#include "tim_capture.h"

// 全局变量，存储捕获结果
static volatile uint16_t capture1 = 0, capture2 = 0; // 捕获值
static volatile uint32_t period = 0;                // 信号周期
static volatile uint8_t captureFlag = 0;            // 捕获完成标志

// 定时器输入捕获初始化
void TIM2_InputCapture_Init(void) {
    // 1. 启用时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); // TIM2 时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // GPIOA 时钟

    // 2. 配置 GPIO
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;             // PA0: TIM2_CH1
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 3. 配置定时器
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 0xFFFF; // 最大计数值
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 72 - 1; // 定时器分频为 72MHz / 72 = 1MHz
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStruct);

    // 4. 配置输入捕获
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
    TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;         // 捕获通道 1
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; // 捕获上升沿
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; // 直接输入
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;    // 无分频
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0x0;                 // 无滤波
    TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStruct);

    // 5. 使能中断
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_CC1, ENABLE); // 使能捕获比较中断
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

    // 6. 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

// 获取捕获周期
uint32_t TIM2_GetPeriod(void) {
    return period; // 返回测量的信号周期
}

// 定时器中断处理函数
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET) {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1); // 清除中断标志

        if (captureFlag == 0) {
            capture1 = TIM_GetCapture1(TIM2); // 第一次捕获
            captureFlag = 1;
        } else if (captureFlag == 1) {
            capture2 = TIM_GetCapture1(TIM2); // 第二次捕获
            if (capture2 > capture1) {
                period = capture2 - capture1; // 正常情况
            } else {
                period = (0xFFFF - capture1 + capture2 + 1); // 计数器溢出情况
            }
            captureFlag = 0; // 重置标志
        }
    }
}

3. 主函数 (main.c)

#include "stm32f10x.h"
#include "tim_capture.h"

int main(void) {
    SystemInit();                // 初始化系统时钟
    TIM2_InputCapture_Init();    // 初始化 TIM2 输入捕获功能

    while (1) {
        // 检查是否已经测量到信号周期
        uint32_t signalPeriod = TIM2_GetPeriod();
        if (signalPeriod != 0) {
            // 计算信号频率 (Hz)
            float frequency = 1000000.0f / signalPeriod; // 1 MHz 时钟基准
            // 用户可添加进一步处理，如显示频率或其他逻辑
        }
    }
}

触发中断的条件

根据代码和 STM32 的定时器捕获功能，以下条件会触发这个中断：

TIM2 的输入捕获通道 1（CC1）检测到信号边沿跳变。
- 在定时器配置时，将 CC1 通道配置为输入捕获模式，并设置边沿触发类型（上升沿、下降沿或双边沿）。
- 例如，信号从低到高（上升沿）或高到低（下降沿）跳变时，捕获触发。
中断使能：
- 必须启用 TIM2 的 CC1 通道中断：
  
  TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_CC1, ENABLE);
中断标志位被置位：
- 捕获事件发生时，定时器的 CC1 中断标志位（TIM_IT_CC1）会被置位，随后触发 TIM2_IRQHandler。