STM32定时器大揭秘：深入理解定时器原理及应用，提升系统效率

# 1. STM32定时器概述

STM32微控制器集成了多种定时器外设，为嵌入式系统提供灵活的时间管理和事件处理能力。这些定时器具有丰富的功能和配置选项，可以满足各种应用需求。本章将概述STM32定时器的基本概念和架构，为深入理解其原理和应用奠定基础。

# 2.2 定时器模式和功能

STM32定时器提供多种模式和功能，以满足不同的应用需求。这些模式可以分为两类：基本定时器模式和高级定时器模式。

### 2.2.1 基本定时器模式

基本定时器模式包括：

- **向上计数模式：**定时器从0开始向上计数，直到达到预设值。
- **向下计数模式：**定时器从预设值开始向下计数，直到达到0。
- **中心对齐模式：**定时器从预设值的一半开始向上或向下计数，直到达到预设值或0。

### 2.2.2 高级定时器模式

高级定时器模式包括：

- **输入捕获模式：**定时器捕获外部事件的发生时间。
- **输出比较模式：**定时器在特定时间点输出比较信号。
- **PWM模式：**定时器生成脉冲宽度调制 (PWM) 波形。
- **单脉冲模式：**定时器在收到触发信号后生成一个脉冲。
- **定时器同步模式：**多个定时器可以同步运行，以实现更复杂的定时操作。

**代码块：**

/* 定时器初始化为向上计数模式 */
TIM_TypeDef *TIMx = TIM1;
TIMx->CR1 |= TIM_CR1_DIR;

/* 定时器初始化为输入捕获模式 */
TIMx->CCMR1 |= TIM_CCMR1_CC1S_0;
TIMx->CCER |= TIM_CCER_CC1E;

/* 定时器初始化为PWM模式 */
TIMx->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2;
TIMx->CCER |= TIM_CCER_CC1E;

**逻辑分析：**

- 第一段代码将定时器 TIM1 初始化为向上计数模式，即定时器从 0 开始向上计数。
- 第二段代码将定时器 TIM1 初始化为输入捕获模式，即定时器将捕获外部事件的发生时间。
- 第三段代码将定时器 TIM1 初始化为 PWM 模式，即定时器将生成 PWM 波形。

**参数说明：**

- `TIM_CR1_DIR`：向上计数模式标志位。
- `TIM_CCMR1_CC1S_0`：输入捕获模式选择位。
- `TIM_CCER_CC1E`：输入捕获使能位。
- `TIM_CCMR1_OC1M_1` 和 `TIM_CCMR1_OC1M_2`：PWM 模式输出比较模式位。
- `TIM_CCER_CC1E`：输出比较使能位。

# 3. STM32定时器编程

### 3.1 定时器初始化和配置

#### 3.1.1 时钟配置

STM32定时器需要一个时钟源来工作。时钟源可以是内部时钟（如HSI、LSI）或外部时钟（如晶体振荡器）。时钟配置通过RCC（复位和时钟控制）外设进行。

/* 使能TIM2时钟 */
RCC->APB1ENR1 |= RCC_APB1ENR1_TIM2EN;

#### 3.1.2 定时器模式选择

STM32定时器有不同的模式，每种模式都有不同的功能。模式选择通过TIMx_CR1寄存器进行。

/* 设置TIM2为向上计数模式 */
TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_DIR;

#### 3.1.3 定时器中断使能

STM32定时器可以产生中断，当定时器计数器达到指定的比较值时触发中断。中断使能通过TIMx_DIER寄存器进行。

/* 使能TIM2中断 */
TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;

### 3.2 定时器操作

#### 3.2.1 定时器启动和停止

定时器可以通过TIMx_CR1寄存器的CEN位启动和停止。

/* 启动TIM2 */
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

/* 停止TIM2 */
TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_CEN;

#### 3.2.2 定时器计数器操作

定时器计数器可以通过TIMx_CNT寄存器读取和写入。

/* 读取TIM2的计数器值 */
uint32_t counter = TIM2->CNT;

/* 设置TIM2的计数器值 */
TIM2->CNT = 0;

#### 3.2.3 定时器中断处理

当定时器计数器达到指定的比较值时，会触发中断。中断处理函数中，可以执行必要的操作，例如更新变量、设置标志等。

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    /* 清除中断标志 */
    TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    /* 执行中断处理操作 */
    ...
}

# 4. STM32定时器应用**

**4.1 定时器在时间测量中的应用**

定时器可以作为精确的时间测量工具，用于测量时间间隔或生成精确的时钟信号。

**4.1.1 定时器作为时钟**

定时器可以配置为以恒定的频率计数，产生周期性的时钟信号。通过将定时器的计数器值与时钟源的频率相除，可以获得精确的时间间隔。

/* 初始化定时器作为时钟 */
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 10000;  // 10ms时钟周期
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 8400;  // 时钟源频率为84MHz
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStruct);

/* 启动定时器 */
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

/* 获取当前时间 */
uint32_t currentTime = TIM_GetCounter(TIM2);

**4.1.2 定时器作为脉宽测量仪**

定时器可以测量脉冲的宽度，即脉冲的高电平持续时间。通过配置定时器在脉冲上升沿开始计数，在脉冲下降沿停止计数，可以得到脉冲的宽度。

/* 初始化定时器作为脉宽测量仪 */
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);

/* 启动定时器 */
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

/* 等待脉冲输入 */
while (TIM_GetFlagStatus(TIM3, TIM_FLAG_CC1) == RESET);

/* 获取脉冲宽度 */
uint32_t pulseWidth = TIM_GetCapture1(TIM3);

**4.2 定时器在PWM控制中的应用**

PWM（脉冲宽度调制）是一种控制模拟信号的数字技术。定时器可以生成PWM波形，通过调节PWM波形的占空比，可以控制模拟信号的幅度或频率。

**4.2.1 PWM波形生成**

定时器可以配置为生成PWM波形，通过设置定时器的计数器值和比较值，可以控制PWM波形的频率和占空比。

/* 初始化定时器生成PWM波形 */
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 1000;  // 1kHz PWM频率
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 8400;  // 时钟源频率为84MHz
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseInitStruct);

TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 500;  // 50%占空比
TIM_OC1Init(TIM4, &TIM_OCInitStruct);

/* 启动定时器 */
TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);

**4.2.2 PWM占空比调节**

通过改变定时器的比较值，可以调节PWM波形的占空比。

/* 调整PWM占空比 */
TIM_SetCompare1(TIM4, 250);  // 25%占空比

**4.3 定时器在中断处理中的应用**

定时器可以产生中断，在特定的时间点或事件发生时触发中断服务程序。

**4.3.1 定时器中断作为系统时钟**

定时器中断可以作为系统时钟，周期性地触发中断服务程序，执行特定的任务。

/* 初始化定时器作为系统时钟 */
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 1000;  // 1ms中断周期
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 8400;  // 时钟源频率为84MHz
TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseInitStruct);

/* 使能定时器中断 */
TIM_ITConfig(TIM5, TIM_IT_Update, ENABLE);

/* 启动定时器 */
TIM_Cmd(TIM5, ENABLE);

/* 中断服务程序 */
void TIM5_IRQHandler(void)
{
    // 执行定时任务
    ...
}

**4.3.2 定时器中断作为事件触发器**

定时器中断还可以作为事件触发器，在特定的事件发生时触发中断服务程序。例如，可以配置定时器在输入捕获事件发生时触发中断。

/* 初始化定时器作为事件触发器 */
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_ICInit(TIM6, &TIM_ICInitStruct);

/* 使能定时器中断 */
TIM_ITConfig(TIM6, TIM_IT_CC1, ENABLE);

/* 启动定时器 */
TIM_Cmd(TIM6, ENABLE);

/* 中断服务程序 */
void TIM6_IRQHandler(void)
{
    // 执行事件处理任务
    ...
}

# 5. STM32定时器高级应用**

**5.1 定时器捕获和比较功能**

STM32定时器具有强大的捕获和比较功能，可用于测量外部信号的脉冲宽度、周期和频率。

**5.1.1 输入捕获模式**

在输入捕获模式下，定时器可以捕获外部信号的上升或下降沿。捕获值存储在定时器的捕获寄存器中，可以用于计算脉冲宽度或周期。

// 配置定时器1的通道1为输入捕获模式
TIM1->CCMR1 |= TIM_CCMR1_CC1S_0;

// 使能定时器1的通道1捕获中断
TIM1->CCER |= TIM_CCER_CC1E;

**5.1.2 输出比较模式**

在输出比较模式下，定时器可以根据比较值生成PWM波形或触发外部事件。比较值存储在定时器的比较寄存器中，当计数器值等于比较值时，定时器会触发输出比较事件。

// 配置定时器1的通道2为输出比较模式
TIM1->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC2M_1 | TIM_CCMR1_OC2M_2;

// 设置定时器1的通道2比较值
TIM1->CCR2 = 500;

// 使能定时器1的通道2输出比较中断
TIM1->CCER |= TIM_CCER_CC2E;

**5.2 定时器DMA传输功能**

STM32定时器支持DMA传输功能，可以将定时器产生的数据直接传输到内存中。这可以提高数据传输效率，减少CPU占用率。

**5.2.1 DMA传输原理**

DMA传输是一种硬件机制，可以将数据从外设直接传输到内存中，而无需CPU干预。DMA控制器负责管理数据传输过程，包括地址、长度和传输方向。

**5.2.2 DMA传输配置**

// 配置DMA通道1为定时器1的传输通道
DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR_DIR;

// 设置DMA通道1的源地址为定时器的捕获寄存器
DMA1_Channel1->CPAR = (uint32_t)&TIM1->CCR1;

// 设置DMA通道1的目标地址为内存地址
DMA1_Channel1->CMAR = (uint32_t)data_buffer;

// 设置DMA通道1的传输长度
DMA1_Channel1->CNDTR = 100;

// 使能DMA通道1
DMA1_Channel1->CCR |= DMA_CCR_EN;

**5.3 定时器同步功能**

STM32定时器支持同步功能，可以将多个定时器连接在一起，实现同步操作。这可以用于生成复杂的波形或实现多通道PWM控制。

**5.3.1 定时器同步原理**

定时器同步通过一个称为触发输入(TRGI)的信号实现。当一个定时器收到TRGI信号时，它将触发其他定时器同步启动或停止。

**5.3.2 定时器同步配置**

// 配置定时器1为主定时器
TIM1->CR2 |= TIM_CR2_MMS_1;

// 配置定时器2为从定时器
TIM2->SMCR |= TIM_SMCR_SMS_0;

// 设置定时器2的触发输入源为定时器1的更新事件
TIM2->SMCR |= TIM_SMCR_TS_0;