STM32单片机定时器应用指南：PWM、捕获、比较，精准控制每一刻

# 1. STM32定时器概述**

STM32单片机内置多个定时器，它们是功能强大的外设，可用于实现各种时间相关功能，例如：

- **脉宽调制 (PWM)**：控制输出信号的占空比，用于调光、电机控制等。
- **捕获 (输入)**：测量外部信号的频率、占空比和相位。
- **比较 (输出)**：生成方波、控制外部设备。

这些定时器具有可配置的时钟源、分频器和比较寄存器，允许灵活配置和精确控制时间间隔。

# 2. PWM（脉宽调制）应用

### 2.1 PWM的基本原理和工作模式

脉宽调制（PWM）是一种通过改变脉冲宽度来控制输出功率或信号幅度的技术。在PWM中，一个周期内脉冲的宽度相对于周期时间的比率称为占空比。占空比可以从0%（无输出）到100%（持续输出）变化。

STM32定时器支持多种PWM工作模式，包括：

- **中心对齐模式：**脉冲居中于定时器周期。
- **边缘对齐模式：**脉冲从定时器周期的开始或结束对齐。
- **不对称模式：**脉冲的上升沿和下降沿具有不同的宽度。

### 2.2 STM32定时器PWM输出配置

要配置STM32定时器用于PWM输出，需要执行以下步骤：

1. **选择定时器和通道：**选择要用于PWM输出的定时器和通道。
2. **配置时钟：**设置定时器的时钟源和预分频器。
3. **配置比较寄存器：**设置比较寄存器（CCR）以定义脉冲的宽度。
4. **配置输出模式：**将定时器通道配置为PWM输出模式。

// 配置定时器3通道1为PWM输出
TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 使能定时器
TIM3->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_2 | TIM_CCMR1_OC1M_1; // 设置PWM模式
TIM3->CCR1 = 500; // 设置比较值，占空比为50%
TIM3->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 使能通道1输出

### 2.3 PWM波形调制和应用实例

PWM输出可以用于调制各种信号，包括模拟信号和数字信号。

**模拟信号调制：**通过改变PWM占空比，可以控制输出电压或电流的平均值。这可用于控制LED亮度、电机速度或加热器功率。

**数字信号调制：**PWM输出还可以用于调制数字信号。例如，通过改变PWM占空比，可以生成方波或脉冲序列。这可用于控制外部设备或进行数据传输。

**应用实例：**

- **LED亮度控制：**使用PWM输出控制LED亮度，实现调光效果。
- **电机速度控制：**使用PWM输出控制电机的速度，实现可变速控制。
- **脉冲宽度测量：**使用PWM输出生成已知频率的脉冲，然后使用捕获功能测量脉冲宽度，从而测量未知频率的信号。

# 3. 捕获（输入）应用**

### 3.1 捕获的基本原理和工作模式

捕获功能允许STM32定时器测量外部事件的发生时间。当外部事件发生时，定时器会捕获当前计数值并将其存储在捕获寄存器中。通过比较捕获寄存器中的值与定时器的计数值，可以计算出外部事件发生的时间间隔。

STM32定时器支持两种捕获模式：

- **输入捕获模式：**外部事件通过定时器的输入捕获引脚触发。
- **定时器触发模式：**外部事件通过定时器的触发输入引脚触发。

### 3.2 STM32定时器捕获输入配置

要配置STM32定时器用于捕获输入，需要执行以下步骤：

1. **选择捕获模式：**在定时器控制寄存器（TIMx_CR2）中设置CCxS位以选择输入捕获模式或定时器触发模式。
2. **选择捕获引脚：**在定时器输入捕获/输出比较寄存器（TIMx_CCxR）中设置ICxSEL位以选择捕获输入引脚。
3. **设置捕获滤波器：**在定时器控制寄存器（TIMx_CR2）中设置ICxPSC位以设置捕获滤波器。滤波器可以减少外部事件的抖动。
4. **使能捕获：**在定时器控制寄存器（TIMx_CR2）中设置CCxEN位以使能捕获。

### 3.3 捕获应用实例：测量信号频率和占空比

捕获功能可以用于测量外部信号的频率和占空比。以下是一个测量方波信号频率和占空比的示例代码：

#include "stm32f10x.h"

void TIM2_IRQHandler(void) {
  // 读取捕获值
  uint16_t capture_value = TIM2->CCR1;

  // 计算频率
  float frequency = SystemCoreClock / capture_value;

  // 计算占空比
  float duty_cycle = (float)TIM2->CCR2 / capture_value * 100.0;

  // 清除中断标志位
  TIM2->SR &= ~TIM_SR_CC1IF;
}

int main(void) {
  // 配置定时器2为输入捕获模式
  RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
  TIM2->CR1 = TIM_CR1_CEN;
  TIM2->CCMR1 = TIM_CCMR1_CC1S_0 | TIM_CCMR1_CC1S_1;
  TIM2->CCER = TIM_CCER_CC1E;

  // 使能定时器2中断
  NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

  while (1) {
    // 测量信号频率和占空比
    // ...
  }
}

**代码逻辑分析：**

- 在TIM2_IRQHandler中断服务程序中，读取捕获寄存器TIM2->CCR1中的捕获值。
- 计算信号频率：frequency = SystemCoreClock / capture_value。
- 计算占空比：duty_cycle = (float)TIM2->CCR2 / capture_value * 100.0。
- 清除定时器中断标志位TIM2->SR &= ~TIM_SR_CC1IF。

**参数说明：**

- `SystemCoreClock`：STM32微控制器的系统时钟频率。
- `capture_value`：捕获寄存器TIM2->CCR1中的捕获值。
- `frequency`：信号频率。
- `duty_cycle`：信号占空比。

# 4. 比较（输出）应用

### 4.1 比较的基本原理和工作模式

比较功能允许定时器将计数器值与一个可编程的比较值进行比较。当计数器值等于或超过比较值时，定时器会产生一个比较事件。比较事件可以用来触发中断、设置输出引脚或更新计数器值。

STM32定时器支持多种比较模式，包括：

* **输出比较模式：**当计数器值等于比较