STM32定时器应用指南：7个实战案例，精准计时

# 1. STM32定时器简介

STM32定时器是STM32微控制器中一个重要的外设，它提供了多种定时和计数功能。定时器可以用于生成精确的延时、产生PWM波形、测量频率和捕获输入事件。

STM32定时器具有高度可配置性，支持多种工作模式和时钟源。定时器模块通常包含一个16位或32位计数器，以及一系列控制和状态寄存器。通过配置这些寄存器，可以灵活地设置定时器的时钟、计数方式、中断触发条件等参数。

# 2. STM32定时器编程基础

### 2.1 定时器模块架构和寄存器

STM32定时器模块由一个或多个定时器单元组成，每个单元包含一组独立的寄存器。定时器单元的架构通常包括：

- **预分频寄存器 (PSC)**：用于预分频时钟源，降低定时器的计数频率。
- **自动重装载寄存器 (ARR)**：用于设置定时器的重装载值，即计数器达到该值后重新计数。
- **计数器寄存器 (CNT)**：用于存储当前的计数值。
- **控制寄存器 (CR1)**：用于控制定时器的启动、停止、复位等操作。
- **状态寄存器 (SR)**：用于指示定时器的当前状态，如中断标志、溢出标志等。

### 2.2 定时器时钟和时基配置

定时器的时钟源可以是内部时钟（如 HSI、LSI）或外部时钟（如晶体振荡器）。时钟源的频率通过预分频寄存器 (PSC) 进行预分频，得到定时器的时基频率。

时基频率的计算公式为：

时基频率 = 时钟源频率 / (PSC + 1)

例如，如果时钟源频率为 8MHz，PSC 设置为 7，则时基频率为 1MHz。

### 2.3 定时器中断处理

STM32定时器支持中断功能，当计数器达到重装载值或发生其他事件时，会触发中断。中断处理程序中可以执行相应的操作，如更新输出、采集数据等。

定时器的中断处理过程如下：

1. **中断源使能**：在定时器的控制寄存器中使能对应的中断源。
2. **中断向量配置**：在中断向量表中配置定时器的中断处理程序。
3. **中断处理程序**：编写中断处理程序，在其中执行中断处理逻辑。
4. **中断标志清除**：在中断处理程序中清除对应的中断标志。

**代码块：**

// 使能定时器中断
TIMx->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

// 中断处理程序
void TIMx_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志
    TIMx->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    // 执行中断处理逻辑
    ...
}

**逻辑分析：**

- `TIMx->CR1 |= TIM_CR1_CEN`：使能定时器中断。
- `TIMx->SR &= ~TIM_SR_UIF`：清除更新中断标志。
- 中断处理逻辑根据具体的应用而定，可以是更新输出、采集数据等操作。

# 3.1 PWM输出和电机控制

### 3.1.1 PWM波形生成

脉宽调制（PWM）是一种通过改变脉冲宽度来控制输出功率的技术。STM32定时器可以生成PWM波形，用于控制电机、LED和其它设备。

PWM波形由以下参数定义：

- **频率：**PWM波形的重复频率，单位为赫兹（Hz）。
- **占空比：**高电平脉冲的宽度与PWM周期之比，以百分比表示。
- **分辨率：**PWM波形中可用的不同占空比级别数。

STM32定时器的PWM输出功能通过以下寄存器控制：

- **TIMx_ARR：**自动重载寄存器，定义PWM周期的长度。
- **TIMx_CCR1：**捕获/比较寄存器1，定义PWM脉冲的宽度。

**代码块：**

// 设置PWM频率为100Hz，占空比为50%
TIMx->ARR = 10000; // 设置自动重载值（PWM周期为10ms）
TIMx->CCR1 = 5000; // 设置捕获/比较值（占空比为50%）

**逻辑分析：**

* `TIMx->ARR`寄存器设置PWM周期的长度为10ms（10000个时钟周期）。
* `TIMx->CCR1`寄存器设置PWM脉冲的宽度为5ms（5000个时钟周期），占空比为50%。

### 3.1.2 电机控制原理

PWM波形可用于控制电机，方法是改变脉冲宽度以调节电机转速。

当PWM脉冲的占空比增加时，电机转速也会增加。当占空比减小时，电机转速也会减小。

**代码块：**

// 逐渐增加PWM占空比，以增加电机转速
for (uint16_t i = 0; i < 10000; i++) {
  TIMx->CCR1 = i;
  HAL_Delay(1); // 延迟1ms
}

**逻辑分析：**

* `for`循环逐渐增加`TIMx->CCR1`寄存器中的占空比值，从而增加PWM脉冲的宽度。
* `HAL_Delay(1)`函数引入1ms的延迟，以允许电机对PWM波形的变化做出反应。

# 4. STM32 定时器实战案例

### 4.1 精准延时

在嵌入式系统中，经常需要对程序执行进行精准的延时操作。STM32 定时器提供了多种延时方式，包括软件延时和硬件延时。

#### 4.1.1 软件延时

软件延时是通过软件循环的方式实现延时。其原理是通过循环执行一条空指令，每个空指令的执行时间是已知的，从而通过循环执行空指令的次数来实现延时。

void software_delay(uint32_t delay_ms)
{
    uint32_t i, j;
    for (i = 0; i < delay_ms; i++) {
        for (j = 0; j < 1000; j++) {
            __NOP();  // 空指令
        }
    }
}

**参数说明：**

* `delay_ms`: 延时的时间，单位为毫秒。

**代码逻辑分析：**

* 外层循环执行 `delay_ms` 次，实现延时 `delay_ms` 毫秒。
* 内层循环执行 1000 次空指令，每个空指令的执行时间约为 1 微秒，因此内层循环的总执行时间约为 1 毫秒。

#### 4.1.2 硬件延时

硬件延时是利用定时器的时钟和计数器实现延时。其原理是将定时器配置为计数模式，然后等待定时器计数到指定的值，从而实现延时。

void hardware_delay(uint32_t delay_ms)
{
    TIM_TypeDef *tim = TIM2;  // 选择 TIM2 定时器
    uint32_t tim_clock = SystemCoreClock / 2;  // TIM2 时钟为系统时钟的 1/2
    uint32_t arr = tim_clock * delay_ms / 1000;  // 计算自动重装载值

    // 配置 TIM2 定时器
    tim->CR1 = 0;  // 重置定时器
    tim->ARR = arr;  // 设置自动重装载值
    tim->PSC = 0;  // 设置预分频器为 0
    tim->CR1 |= TIM_CR1_CEN;  // 使能定时器

    // 等待定时器计数到指定的值
    while ((tim->CNT < arr) && ((tim->SR & TIM_SR_UIF) == 0)) {