STM32时序控制核心：定时器外设全解析，从延时到PWM实战

最新推荐文章于 2025-12-04 17:06:36 发布

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#单片机 #stm32 #嵌入式硬件

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一、定时器是什么？STM32 的 “时间管家”

在嵌入式系统中，“时序控制” 是核心需求 —— 小到 LED 闪烁的精准延时，大到电机调速的 PWM 信号、传感器数据的定时采集，都离不开定时器（Timer） 这一外设。简单来说，STM32 的定时器是基于硬件的 “时间计数器”，通过对内部时钟信号的计数实现时间测量、信号生成等功能，无需 CPU 持续参与，极大提升了系统效率。

以经典的 STM32F103 系列为例，其包含 3 类定时器，功能覆盖从基础到高级的所有时序场景：

定时器类型	代表型号	核心功能	适用场景
基本定时器	TIM6、TIM7	16 位计数、更新中断、触发 ADC	精准延时、ADC 定时采样
通用定时器	TIM2-TIM5	16 位计数、输入捕获、输出比较、PWM	电机 PWM 调速、脉冲宽度测量
高级定时器	TIM1、TIM8	16 位计数、死区控制、互补 PWM	三相电机驱动、高精度功率控制

定时器的核心优势在于 “硬件独立运行”：一旦初始化完成，定时器可自主计数并触发中断或输出信号，CPU 只需在中断发生时处理任务，避免了软件延时对 CPU 资源的占用。

二、定时器的核心原理：计数与时钟的 “协作游戏”

所有定时器的工作原理都围绕 “时钟源→预分频器→计数器→自动重装载寄存器” 的核心链路展开，理解这一链路就能掌握定时器的本质。

1. 核心结构拆解

时钟源（Clock Source）：定时器的 “动力来源”，可选择内部时钟（APB 总线时钟）、外部引脚时钟（如 TIM2_CH1 的外部脉冲）或其他定时器的时钟。STM32F1 中，通用定时器的内部时钟默认来自 APB1 总线（72MHz，经倍频后为 72MHz）。

预分频器（Prescaler）：对时钟源进行分频，降低计数频率。计算公式为：分频后频率 = 时钟源频率 / (预分频器值 + 1)。例如，72MHz 时钟经 7199 分频后，频率为 72000000/(7199+1)=10kHz。

计数器（Counter）：16 位寄存器，每接收一个分频后的时钟脉冲就加 1（或减 1），计数范围为 0~65535。

自动重装载寄存器（ARR）：存储计数的上限值，当计数器的值等于 ARR 时，计数器清零并触发 “更新事件”（可产生中断或触发其他外设）。

2. 关键时序参数计算

定时器的核心时序参数（如定时时间、PWM 频率）可通过以下公式精确计算：

定时时间（基础定时器 / 通用定时器定时功能）

定时时间 = (预分频器值 + 1) × (自动重装载值 + 1) / 时钟源频率

例：时钟源 72MHz，预分频器 7199，ARR=9999，定时时间 = 7200×10000/72000000 = 1 秒。

PWM 频率（通用 / 高级定时器 PWM 功能）

PWM 频率 = 时钟源频率 / [(预分频器值 + 1) × (自动重装载值 + 1)]

例：同上参数，PWM 频率 = 72000000/(7200×10000) = 1Hz。

PWM 占空比（通用 / 高级定时器 PWM 功能）

占空比 = (比较寄存器值 + 1) / (自动重装载值 + 1) × 100%

例：ARR=999，比较寄存器值 = 499，占空比 = 500/1000×100% = 50%。

三、定时器的核心功能：从基础到高级的应用拆解

不同类型的定时器功能差异较大，新手需重点掌握通用定时器的三大核心功能，再逐步拓展到高级定时器。

1. 基础功能：定时中断（以 TIM2 为例）

定时中断是定时器最基础的应用，通过设定固定时间触发中断，实现周期性任务（如每秒刷新传感器数据）。

工作流程：初始化定时器→设置预分频器和 ARR→使能更新中断→启动定时器→中断发生时执行回调函数。

适用场景：精准延时（替代 HAL_Delay，避免阻塞 CPU）、周期性数据采集、定时报警。

2. 核心功能：输出比较与 PWM

输出比较（OC）是通用定时器的核心能力，通过比较计数器与比较寄存器（CCR）的值，控制 GPIO 输出电平，最典型的应用就是生成 PWM 信号。

PWM（脉冲宽度调制）通过高低电平的周期性交替，以 “平均电压” 控制外设 —— 占空比越高，平均电压越高（如 LED 越亮、电机转速越快）。STM32 的 PWM 支持 4 种输出模式，最常用的是 “PWM 模式 1”（计数器小于 CCR 时输出高电平，大于等于时输出低电平）。

适用场景：LED 亮度调节、直流电机 PWM 调速、舵机角度控制、音频信号输出。

3. 高级功能：输入捕获

输入捕获通过监测 GPIO 引脚的电平变化（上升沿 / 下降沿），记录计数器的值，从而实现对外部信号的频率、周期、脉冲宽度的测量。

工作流程：配置 GPIO 为输入捕获模式→设置触发边沿（上升沿 / 下降沿）→启动捕获→捕获到边沿时读取计数器值→计算信号参数。

适用场景：红外遥控信号解码、脉冲信号频率测量、按键长按 / 短按识别。

4. 高级定时器专属功能

高级定时器（TIM1、TIM8）在通用定时器基础上增加了死区控制、互补 PWM 输出等功能，专为电机控制设计：

死区控制：避免 H 桥电路中上下桥臂功率管同时导通导致短路，是直流无刷电机驱动的必备功能。

互补 PWM 输出：同时输出一路 PWM 信号及其反相信号，简化电机驱动电路设计。

四、定时器配置实操：CubeMX+HAL 库手把手教学

以 STM32F103C8T6 的 TIM2 为例，分别演示 “定时中断” 和 “PWM 输出” 的配置流程，新手建议优先掌握 CubeMX 图形化配置。

1. 实战 1：定时中断（1 秒触发一次中断，翻转 LED）

（1）CubeMX 配置步骤

时钟配置：配置 APB1 总线时钟为 36MHz（STM32F1 中 APB1 最大 36MHz，定时器时钟为 APB1 时钟 ×2=72MHz）。

定时器配置：

选择 TIM2，在 “Mode” 中勾选 “Internal Clock”。

配置 “Parameter Settings”：

- Prescaler（预分频器）：7199（72MHz/7200=10kHz）。

- Counter Period（ARR）：9999（10kHz/10000=1Hz，即 1 秒）。

- Auto-reload Preload：Enable（允许自动重装载）。

中断配置：在 “NVIC Settings” 中勾选 “TIM2 global interrupt”，设置优先级。

GPIO 配置：PA0 设为推挽输出（控制 LED）。

生成代码：选择 MDK-ARM，生成工程。

（2）核心代码


// 定时器初始化（CubeMX自动生成，在tim.c中）

TIM_HandleTypeDef htim2;

void MX_TIM2_Init(void) {

TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};

TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

htim2.Instance = TIM2;

htim2.Init.Prescaler = 7199;

htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;

htim2.Init.Period = 9999;

htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;

if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK) {

Error_Handler();

}

sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;

if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK) {

Error_Handler();

}

sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;

sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;

if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK) {

Error_Handler();

}

}

// 中断回调函数（在main.c中重写）

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {

if (htim->Instance == TIM2) { // 判断是TIM2的中断

HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_0); // 翻转PA0电平，LED闪烁

}

}

// main函数中启动定时器

int main(void) {

HAL_Init();

SystemClock_Config();

MX_GPIO_Init();

MX_TIM2_Init();

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); // 启动TIM2定时中断

while (1) {

// 主循环无需处理，中断自动执行

}

}

2. 实战 2：PWM 输出（控制 LED 亮度渐变）

（1）CubeMX 配置步骤

时钟配置：同实战 1，APB1 时钟 36MHz，TIM2 时钟 72MHz。

定时器配置：

选择 TIM2，在 “Mode” 中勾选 “PWM Generation CH1”（PA0 为 TIM2_CH1 复用引脚）。

配置 “Parameter Settings”：

- Prescaler：71（72MHz/72=1MHz）。

- Counter Period：999（1MHz/1000=1kHz，PWM 频率 1kHz）。

- PWM Mode：PWM Mode 1。

- Pulse（CCR 值）：0（初始占空比 0%，LED 熄灭）。

GPIO 配置：PA0 自动设为 “Alternate Function Push-Pull”（复用推挽输出）。

生成代码。

（2）核心代码


// 定时器PWM初始化（CubeMX自动生成，在tim.c中）

void MX_TIM2_Init(void) {

TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};

TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

htim2.Instance = TIM2;

htim2.Init.Prescaler = 71;

htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;

htim2.Init.Period = 999;

htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;

if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK) {

Error_Handler();

}

sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;

if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK) {

Error_Handler();

}

if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim2) != HAL_OK) {

Error_Handler();

}

sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;

sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;

if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK) {

Error_Handler();

}

sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;

sConfigOC.Pulse = 0;

sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;

sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;

if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK) {

Error_Handler();

}

}

// main函数中实现亮度渐变

int main(void) {

HAL_Init();

SystemClock_Config();

MX_GPIO_Init();

MX_TIM2_Init();

HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1); // 启动TIM2_CH1的PWM输出

uint16_t pwm_val = 0;

uint8_t dir = 1; // 1表示亮度增加，0表示亮度降低

while (1) {

HAL_Delay(10); // 控制渐变速度

if (dir) {

pwm_val++;

if (pwm_val >= 1000) {

dir = 0;

}

} else {

pwm_val--;

if (pwm_val <= 0) {

dir = 1;

}

}

TIM2->CCR1 = pwm_val; // 更新比较寄存器值，改变占空比

}

}