实验-定时器与PWM

一.定时器基本原理

1.定时器概念
定时器是微控制器中不可缺少的外设，它主要用于定时、测量输入信号的脉冲长度（输入捕获）或者产生输出波形（输出比较和PWM）等，本质就是进行计数，选择内部时钟脉冲，作为计数器时，技术信号的来源选择非周期脉冲信号。
2.定时器分类
STM32定时器种类多，功能 强大，这些定时器完全独立、 互不干扰，可以同步操作。分为高级定时器、通用定时器和基本定时器三种，它们之间存在功能上的包含关系，即基本定时器有的功能通用定时器都有，通用定时器又包含了高级定时器的部分功能，而高级定时器则增加了如死区互补输出、刹车信号等更高级的功能。

我们最常用的就是通用定时器，TIM2、TIM3、TIM4、TIM5 为STM32的4个独立的16位通 用定时器，具有定时、测量 输入信号的脉冲长度（输入 捕获）、输出所需波形（输出比较、产生PWM、单脉冲 输出等）等功能。

3.时钟计算方法
定时器的定时时间主要取决于定时周期和预分频因子，计算公式为：
定时时间=（ARR+1）×（预分频值PSC+1）/输入时钟频率
或 T=（TIM_Period +1）*（TIM_Prescaler +1）/TIMxCLK 这里ARR+1是因为计数器都是从0开始计数的。
4.工作原理
（1）时钟产生与选择
通用定时器的时钟源有多种选择，主要包括内部时钟（CK_INT）、外部时钟模式（外部输入脚TIx、外部触发输入ETR）和内部触发输入（ITRx）等。时钟源的选择决定了定时器的计数频率。

（2）计数过程
通用定时器内部有一个计数器，它根据所选的时钟源进行计数。计数器的计数模式可以是向上计数、向下计数或者向上/向下双向计数（中心对齐模式）。

a.向上计数模式：计数器从0开始计数，当计数到自动加载值（TIMx_ARR）时，计数器溢出并重新从0开始计数，同时产生一个计数器溢出事件。
b.向下计数模式：计数器从自动加载值（TIMx_ARR）开始向下计数，当计数到0时，计数器重新从自动加载值开始计数，并产生一个计数器向下溢出事件。
c.中心对齐模式：计数器从0开始计数到自动加载值-1时，产生一个计数器溢出事件，然后向下计数到1时，再次产生一个计数器溢出事件。之后计数器从0开始重新计数。
（3）输入捕获与输出比较
通用定时器具有输入捕获和输出比较功能，这些功能通过定时器的输入捕获通道和输出比较通道实现。

a.输入捕获：输入捕获通道可以捕获外部信号的边沿，并记录捕获时刻计数器的值。这可以用于测量输入信号的脉冲宽度或频率。
b.输出比较：输出比较通道可以将计数器的值与预设的比较值进行比较，当两者相等时，可以产生输出信号或触发中断。这可以用于生成PWM波形或控制外部设备的开关。

二.定时器实验

1.任务要求
之前作业中的延时功能都是通过循环、delay/Hal_delay函数等实现，本次作业通过定时器Timer方式实现时间的精准控制，相当于给CPU上了一个闹钟，CPU平时处理其它任务，当定时时间到了以后，处理定时相关的任务。请设置一个5秒的定时器，每隔5秒从串口发送“hello windows！”；同时设置一个2秒的定时器，让LED等周期性地闪烁，实现一个多任务并发运行的功能。思考，如果不采用定时器，如何同时完成上面两个周期性任务？
2.HAL库—工程创建
通过STM32CubeMx创建新工程，点击左上角的File文件选择“New Project”，在弹出的界面中，下拉列表输入芯片名称“STM32F103C8T6”，右下角选中后，点击“Start Project”，
配置“RCC”，RCC中， HSE选中"Crystal/Ceramic Resonator"项，LSE选择Disable，界面如下：

配置“SYS”，下拉Debug模式 ,选中"Serial Wire"Timebase Source选择“SysTick”，界面如下：

然后进行GPIO口的管脚配置，这里我选择了PA1作为LED指示灯，配置如下：

然后进行定时器配置，选择TIM2和TIM3 选中定时器2；配置定时器2的时钟源为内部时钟；分频系数为71，向上计数模式，计数周期为5000，使能自动重载模式。定时器3参照定时器2的配置。

（注意;分频系数那里虽然写的是71，但系统处理的时候会自动加上1，所以实际进行的是72分频。由于时钟我们一般会配置为72MHZ，所以72分频后得到1MHZ的时钟。1MHZ的时钟，计数5000次，得到时间5000/1000000=0.005秒。也就是每隔0.005秒定时器2会产生一次定时中断。）
接着配置NVIC，开启定时器2的中断：

然后选择USART1，选择USART1进行传输，将串口设置为异步工作模式，

点击Clock Configuration 选择HSE和PLLCLK，进行时钟配置，

设置Project Manager，这里特别注意，代码的生成路径不要有中文，点击“Code Generator”，勾选图示内容，再点击右上角"GENERATE CODE",生成文件。

3.相关代码编写
3.1定时器启用

在主函数启动相应的定时器，代码如下：

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);

3.2串口通信

在主函数中编写MCU给上位机发送的消息，代码如下：

uint8_t hello[20]="hello windows！\r\n";

3.3定时器中断回调
在主函数中编写中断回调函数，代码如下：

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	static uint32_t time_cnt =0;
	static uint32_t time_cnt3 =0;
	if(htim->Instance == TIM2)
	{
		if(++time_cnt >= 400)
		{
			time_cnt =0;
			HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA,GPIO_PIN_1);
		}
	}
	if(htim->Instance == TIM3)
	{
		if(++time_cnt3 >= 1000)
		{
			time_cnt3 =0;
    HAL_UART_Transmit(&huart1,hello,20,100000);
		}
			
	}
}

该函数为定时器的中断回调函数，当产生定时中断的时候，会自动调用这个函数。在函数内部定义了定时器的一个静态变量：time_cnt与定时器3 的time_cnt3。

如果不采用定时器，可以通过循环加延时的方法来实现。但这种方法通常效率较低，并且对于实时性要求较高的任务来说，不是最佳实践。
4.整体编译及串口烧录
先进行编译，确认无误，双击点开“FlyMcu”，然后把MCU的boot0置1，boot1置0，接线时注意TXD->A10;RXD->A9;3V3->3V3;GND->G开始烧录代码，注意更新.hex文件。

5.效果展示
硬件图

最后的效果视频

dingshiqi

三.PWM基本原理

1.PWM介绍
PWM（脉冲宽度调制）是一种通过改变脉冲的宽度来控制模拟电路的有效技术。它的核心在于调节一系列固定频率脉冲的占空比，即高电平时间与整个周期时间的比例，从而模拟出连续的模拟信号。这种技术使得数字硬件如微控制器能够精确控制模拟电路，广泛应用于电机控制、LED调光等领域。
PWM的基本组成
PWM信号由以下几个关键参数组成：
频率（Frequency）：指定一秒钟内信号从高电平到低电平再回到高电平的次数，即一秒钟内PWM周期的数量。
占空比（Duty Cycle）：一个脉冲周期内，高电平的时间与整个周期时间的比例。占空比的大小决定了PWM等效出来的模拟电压的大小。
分辨率（Resolution）：占空比变化的细腻程度，即占空比变化的快慢。
2.PWM的工作原理
PWM通过控制信号的脉冲宽度来实现对电压或电流的精确控制。在具有惯性的系统中，如LED灯或电机，可以通过调制一系列脉冲的宽度来等效地获得所需的模拟参量。例如，通过调节PWM信号的占空比，可以控制流经LED的平均电流，从而调节灯光的亮度。

四.PWM实验

1.任务要求
使用TIM3和TIM4，分别输出一个PWM波形，PWM的占空比随时间变化，去驱动你外接的一个LED以及最小开发板上已焊接的LED（固定接在 PC13 GPIO端口），实现2个 LED呼吸灯的效果。
2.HAL库—创建工程
通过STM32CubeMx创建新工程，点击左上角的File文件选择“New Project”，在弹出的界面中，下拉列表输入芯片名称“STM32F103C8T6”，右下角选中后，点击“Start Project”
配置“RCC”，RCC中， HSE选中"Crystal/Ceramic Resonator"项，LSE选择Disable
配置“SYS”，下拉Debug模式 ,选中"Serial Wire"Timebase Source选择“SysTick”

然后对定时器3和定时器4配置，对于TIM3，设置分频系数为71，向上计数模式，计数周期为500，使能自动重载模式。通道1选择：PWM Generation CH1（PWM输出通道1），设置分频系数为71，计数周期为500，其它默认，定时器四仍然也选择PWM Generation CH1（PWM输出通道1），计数周期根据自己需要进行设置，具体设置见下图：


点击Clock Configuration 选择HSE和PLLCLK，进行时钟配置，

设置Project Manager，这里特别注意，代码的生成路径不要有中文，点击“Code Generator”，勾选图示内容，再点击右上角"GENERATE CODE",生成文件。

最后用Keil打开新建的HAL库工程

3.相关代码编写
（1）找到主函数，设置占空比，定义一个变量，用来存储占空比：初值设为10，代码如下：

uint16_t duty_num3 = 10;
uint16_t duty_num4 = 10;

（2）开启PWM通道：开始TIM3通道3，输出PWM；开始TIM4通道4，输出PWM，代码如下：

HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim4,TIM_CHANNEL_1);

（3）然后在while（1）中设置每隔50毫秒，占空比加10，如果超过500，自动变成低电平，代码如下：

 while (1)
{
  /* USER CODE END WHILE */
 HAL_Delay(50);
		duty_num3 = duty_num3 + 10;
			duty_num4 = duty_num4 + 10;
		if(duty_num3 > 500)
		{
			duty_num3 = 0;
		}
		__HAL_TIM_SetCompare(&htim3,TIM_CHANNEL_1,duty_num3);
			if(duty_num4 > 500)
		{
			duty_num4 = 0;
		}
		__HAL_TIM_SetCompare(&htim4,TIM_CHANNEL_1,duty_num4);
    /* USER CODE BEGIN 3 */
 }

4.整体编译及串口烧录
先进行编译，确认无误，双击点开“FlyMcu”，然后把MCU的boot0置1，boot1置0，接线时注意TXD->A10;RXD->A9;3V3->3V3;GND->GND开始烧录代码，注意更新.hex文件。

5.效果展示
定时器3,4的一通道分别对应引脚PA6和PB6，其中PB6已经连接了LED灯，但是PA6却是空的，而另一个LED是MCU最小开发板上已焊接的LED（固定接在 PC13 GPIO端口），找一根杜邦线把PA6和P13连在一起后，就可以了，具体硬件连接见下图

效果演示

pwm

五.总结

第一部分：定时器实现多任务并发
之前的实验中，延时功能依赖循环或delay/Hal_delay函数，这种方法效率低，且在延时期间CPU处于阻塞状态，无法处理其他任务。本次实验通过定时器Timer实现了精准的定时中断，相当于为CPU设置了一个闹钟。CPU可以处理其他任务，当定时时间到达时，中断服务程序会执行相应的操作。
我设置了一个5秒定时器（例如TIM2），每隔5秒通过串口发送“hello windows！”；同时设置了一个2秒定时器（例如TIM3），控制LED周期性闪烁。这实现了两个周期性任务的并发运行。
如果不采用定时器，要同时完成这两个周期性任务，只能通过轮询的方式，即在主循环中不断检测时间，如果达到5秒则发送数据，达到2秒则切换LED状态。这种方法效率极低，且时间精度难以保证，尤其当需要处理其他任务时，时间精度会进一步下降，甚至可能导致任务错乱。定时器中断机制则有效避免了这些问题，实现了更精准、更高效的多任务并发。
第二部分：PWM波形控制LED呼吸灯
本部分实验使用TIM3和TIM4分别产生PWM波形，并通过改变占空比来控制两个LED的亮度，实现呼吸灯效果。TIM3控制外接LED，TIM4控制PC13端口的LED。 PWM波形的占空比随时间变化，例如采用正弦波变化，可以产生柔和的呼吸灯效果。 这部分实验需要对PWM的原理以及定时器的配置有深入的理解，包括预分频、自动重装载值、比较值等参数的设置。
心得体会:
通过本次实验，我深刻理解了STM32定时器的强大功能以及在嵌入式系统中的重要作用。定时器不仅可以实现精准的延时控制，更重要的是可以实现多任务的并发运行，提高了系统的效率和实时性。 PWM波形的应用也让我对模拟信号的产生和控制有了更深入的认识。 在实验过程中，我遇到了不少问题，例如定时器配置的细节、PWM波形的产生以及代码调试等，通过查阅资料和不断尝试，最终解决了这些问题，也提升了我的问题解决能力和编程能力。 未来我会继续深入学习STM32的更多功能，并将其应用到更复杂的项目中。