STM32外设地图-Timer

一、关键概念

1、定时功能：假设内部时钟CK_INT（TIMxCLK from RCC）为 72Mhz，定时时间为 10MS。

  配置CK_CNT时钟来源为 内部时钟CK_INT，然后根据定时时间10MS，配置CK_CNT的预分频为 72 - 1（一个CK_CNT周期 1us），配置计数器溢出值为 10000 - 1（10MS溢出）；配置计数器为Upcounting mode，循环模式，并使能Update中断。

  软件启动计数器后，每个CK_CNT脉冲驱动计数器加1，当计数达到设定的溢出值9999时（10MS定时到了），计数器Overflow 并触发Update中断（软件在中断函数中处理定时超时），然后计数器从0开始重新计数。

2、统计TIMx_ETR引脚 输入的脉冲个数：
  配置CK_CNT时钟来源为 TIMx_ETR引脚，CK_CNT的预分频为1，计数器溢出值设置为最大65535。配置计数器为Upcounting mode，循环模式，并使能Update中断。

  软件启动计数器后，每个CK_CNT脉冲（即来自TIMx_ETR引脚的脉冲）驱动计数器加1，当计数达到设定的溢出值 65535时，计数器Overflow 并触发Update中断（在中断函数中记录计数器Overflow次数），然后计数器从0开始重新计数。软件读计数器当前计数值，并结合计数器Overflow次数，可计算出TIMx_ETR引脚输入的脉冲个数。

3、测量TIMx_CH1引脚 输入的PWM信号的频率和占空比：假设内部时钟CK_INT（TIMxCLK from RCC）为 72Mhz，输入PWM的频率范围是 1Khz（period = 1MS，1%占空比时高电平周期为 10us） ~ 100Khz (period = 10us，1%占空比时高电平周期为 0.1us)。

  配置CK_CNT时钟来源为 内部时钟CK_INT，配置CK_CNT的预分频为 7 - 1（一个CK_CNT周期 ≈ 0.1us），配置计数器溢出值为 20000 - 1（2MS溢出）。配置计数器为Upcounting mode，循环模式，并使能Update中断。配置CC1 channel为输入 且输入引脚为TIMx_CH1，输入信号不分频、不滤波，输入信号的上升沿触发CC1捕获，并使能 CC1 interrupt；配置CC2 channel为输入 且输入引脚为 TIMx_CH1，输入信号不分频、不滤波，输入信号的下降沿触发CC2捕获。配置 Slave mode为 Reset mode，且 TIMx_CH1信号的上升沿触发 Counter reset。

  软件每次在需要计算PWM频率和占空比时，都要启动一次PWM测量功能（或者用一个定时器定期启动，这样PWM频率和占空比就能定期自动更新）。软件启动计数器 并使能 CC1、CC2 channel后：

  当 Counter overflow时，触发Update interrupt，在中断函数中设置 PWM频率为0，占空比为 0%（读TIMx_CH1引脚为低电平）或 100%（读TIMx_CH1引脚为高电平），最后停止计数器 并禁能CC1、CC2 channel；

  当TIMx_CH1产生下降沿时， 寄存器CCR2 捕获计数器当前计数值；

  当TIMx_CH1产生上升沿时， 寄存器CCR1 捕获计数器当前计数值，然后Counter reset，并触发CC1 interrupt，在中断函数中记录TIMx_CH1上升沿的次数，若次数为2（2次上升沿能保证CCR1是PWM周期，CCR2是一个PWM周期中高电平的时间），则设置PWM周期为（CCR1 * 0.1us），占空比为 CCR2 / CCR1，最后停止计数器 并禁能CC1、CC2 channel。

4、输出指定频率和占空比的PWM波形：假设内部时钟CK_INT（TIMxCLK from RCC）为 72Mhz，TIMx_CH1引脚输出PWM 且频率为100Khz（period = 10us）、占空比为10%，TIMx_CH1引脚高电平有效。

  配置CK_CNT时钟来源为 内部时钟CK_INT，配置CK_CNT的预分频为 72 - 1（一个CK_CNT周期 为1us），配置计数器溢出值为 10 - 1（10us溢出）。配置计数器为Upcounting mode，循环模式。配置CC1 channel为输出 且 输出端高电平有效 且模式为 PWM mode1，计数器比较值CCR1为 1。

  软件启动计数器 并使能 CC1 channel后，每个CK_CNT脉冲驱动计数器加1，当计数达到设定的溢出值时，计数器Overflow 并从0开始重新计数，在这个过程中，定时器通过不断比较 计数器当前值 和 计数器比较值CCR1，在TIMx_CH1引脚输出一个频率为100Khz、占空比为10%的PWM波形。

二、程序开发流程

1、TIM3定时功能

/* 函数功能：启动 timer3. 此接口供外部模块调用. */
void timer3_start(void)
{
	CEN bit = 1;
}

/* 函数功能：停止 timer3. 此接口供外部模块调用. */
void timer3_stop(void)
{
	CEN bit = 0;
}

/* 函数功能：设置timer3定时时间、超时回调函数, 以及超时后是否停止. 此接口供外部模块调用.
   返回值：0, 设置成功; 非0, 设置失败
*/
int timer3_set(uint16_t timeout_us, void (*cb)(void), bool one_shot_flag)
{
	timer3->cb = cb;
	TIM3_ARR = timeout_us - 1;	//一个CK_CNT周期 已配置为1us
	OPM bit = one_shot_flag == TRUE ? 1 : 0;
	TIM3_CNT = 0;
	return 0;
}

static void timer3_irq_handler(void)
{
	if(UIF标志置位)
	{
		清零UIF标志;
		if(timer3->cb)
		{
			timer3->cb();
		}
	}
}

static void timer3_init(void)
{
	ECE bit = 0, SMS[2:0] = 0;	 //配置CK_CNT时钟来源为 内部时钟CK_INT
	DIR bit = 0, CMS[1:0] = 0;	 //计数器为Upcounting mode
	TIM3_PSC = 72 - 1;		  	//一个CK_CNT周期为 1us (CK_INT频率为 72Mhz)
	UIE bit = 1;			    //使能Update interrupt
	
	在NVIC中设置timer3中断优先级并使能中断;
}            

2、统计TIM3_ETR引脚输入的脉冲个数

static uint32_t g_overflow_cnt; 

/* 函数功能：读 TIM3_ETR引脚输入的脉冲个数. 此接口供外部模块调用 */
uint32_t timer3_ETR_pulse_read(void)
{
	uint32_t cnt = g_overflow_cnt * (TIM3_ARR + 1) + (TIM3_CNT + 1);
	
	interrupt_disable();
	g_overflow_cnt = 0;
	interrupt_enable();
	
	TIM3_CNT = 0;
	return cnt;
}

static void timer3_irq_handler(void)
{
	if(UIF标志置位)
	{
		清零UIF标志;
		(g_overflow_cnt)++;
	}
}

static void timer3_init(void)
{
	ECE bit = 1;			   //配置CK_CNT时钟来源为 TIM3_ETR引脚
	DIR bit = 0, CMS[1:0] = 0; //计数器为Upcounting mode
	OPM bit = 0;			   //计数器为循环模式
	TIM3_PSC = 0;		  	   //CK_CNT时钟不分频
	TIM3_ARR = 65535;
	UIE bit = 1;			   //使能Update interrupt
	
	ETPS[1:0] = 0;		  	   //TIM3_ETR输入信号不分频
	ETP bit = 0;			   //TIM3_ETR输入上升沿有效
	ETF[3:0] = 0;			   //TIM3_ETR输入信号不滤波
	
	配置TIM3_ETR引脚为上拉输入;
	在NVIC中设置timer3中断优先级并使能中断;

	CEN bit = 1;	//Start Counter
}            

3、测量TIM3_CH1引脚 输入的PWM信号的频率和占空比
  输入PWM的频率范围是 1Khz（period = 1MS，1%占空比时高电平周期为 10us） ~ 100Khz (period = 10us，1%占空比时高电平周期为 0.1us)

static uint8_t g_cc1_rising_edge_cnt;
static uint32_t g_pwm_frequency; 		// unit: 1hz
static uint8_t g_pwm_duty;				// unit: 1%

/* 函数功能：读 TIM3_CH1引脚输入的PWM频率和占空比. 此接口供外部模块调用 */
void timer3_pwm_frequency_duty_read(uint32_t *frequency, uint8_t *duty)
{
	if(frequency)
		*frequency = g_pwm_frequency;
	
	if(duty)
		*duty = g_pwm_duty;
}

static void timer3_measure_pwm_start(void)
{
	if(CEN bit == 1)
		return;
		
	CEN bit = 1;	//Start Counter
	CC1E bit = 1;	//使能CC1 capture
	CC2E bit = 1;	//使能CC2 capture
}

static void timer3_measure_pwm_stop(void)
{
	CEN bit = 0;	//Stop Counter
	CC1E bit = 0;	//禁能CC1 capture
	CC2E bit = 0;	//禁能CC2 capture
	g_cc1_rising_edge_cnt = 0;
}

static void timer3_irq_handler(void)
{
	if(CC1IF标志置位)	//TIM3 CC1 capture
	{
		清零CC1IF标志;
		(g_cc1_rising_edge_cnt)++;
		if(g_cc1_rising_edge_cnt >= 2)	//period = TIM3_CCR1, duty =  TIM3_CCR2 / TIM3_CCR1
		{
			if(TIM3_CCR1 == 0)	
		    {
		    	g_pwm_frequency = 0;
		    	duty = 0;
		    }
		    else
		    {
		    	g_pwm_frequency = 1000000 / (TIM3_CCR1 * 0.1);
		    	g_pwm_duty = (TIM3_CCR2 * 100) / TIM3_CCR1;
		    }
			
			timer3_measure_pwm_stop();	//CC1 capture中断不能一直使能, 否则若PWM频率太快会让CPU卡死在TIM3中断
		}
	}
	
	if(UIF标志置位)		//TIM3 Overflow
	{
		清零UIF标志;
		g_pwm_frequency = 0;
		if(TIM3_CH1引脚 为高电平)
		{
			g_pwm_duty = 100;
		}
		else
		{
			g_pwm_duty = 0;
		}
		
		timer3_measure_pwm_stop();
	}
}

static void timer3_init(void)
{
	ECE bit = 0, SMS[2:0] = 0b100; 	//配置CK_CNT时钟来源为内部时钟CK_INT, 且Slave mode为 Reset mode
	TS[2:0] = 0b101;				//TIMx_CH1信号的上升沿触发Counter reset
	DIR bit = 0, CMS[1:0] = 0;	 	//计数器为Upcounting mode
	OPM bit = 0;					//计数器为循环模式
	TIM3_PSC = 6;		  	  		//一个CK_CNT周期 ≈ 0.1us (CK_INT频率为 72Mhz)
	TIM3_ARR = 20000 - 1; 			//计数器 Overflow周期：2MS
	UIE bit = 1;			   		//使能Update interrupt
	
	CC1S[1:0] = 0b01;				//TIM3 CC1 channel为输入 且输入引脚为TIM3_CH1
	IC1PSC[1:0] = 0;				//TIM3 CC1 channel信号不分频
	IC1F[3:0] = 0;					//TIM3 CC1 channel信号不滤波
	CC1P bit = 0;					//CC1捕获上升沿
	CC1IE bit = 1;			     	//使能CC1 capture中断
	
	CC2S[1:0] = 0b10;				//TIM3 CC2 channel为输入 且输入引脚为TIM3_CH1
	IC2PSC[1:0] = 0;				//TIM3 CC2 channel信号不分频
	IC2F[3:0] = 0;					//TIM3 CC2 channel信号不滤波
	CC2P bit = 1;					//CC2捕获下降沿
	
	配置TIM3_CH1引脚为上拉输入;
	在NVIC中设置timer3中断优先级并使能中断;
	
	//TIM4定期启动TIM3测量PWM, 这样PWM的频率和占空比就可以自动更新.如果不是定期启动, 而是一直启动, 则CPU可能卡死在TIM3中断
	timer4_set(TIMOUT_1S, timer3_measure_pwm_start, ONE_SHOT_DISABLE);
	timer4_start();
}            

4、用TIM3_CH1引脚 输出指定频率和占空比的PWM波形

/* 函数功能：启动TIM3_CH1引脚输出PWM. 此接口供外部模块调用 */
void timer3_pwm_start(void)
{
	CC1E bit = 1;	//使能CC1 channel
	CEN bit = 1;	//Start Counter
}

/* 函数功能：停止TIM3_CH1引脚输出PWM. 此接口供外部模块调用 */
void timer3_pwm_stop(void)
{
	CC1E bit = 0;	//禁能CC1 channel
	CEN bit = 0;	//Stop Counter
}

/* 函数功能：设置 TIM3_CH1引脚输出的PWM, period：PWM周期, 单位 1ns, pulse：PWM高电平时间, 单位 1ns. 此接口供外部模块调用 */
void timer3_pwm_set(uint32_t period, uint32_t pulse)	
{
	uint64_t tim_clock, psc;
	
	tim_clock = 72;			//内部时钟CK_INT为 72Mhz
	period = (unsigned long long)period * tim_clock / 1000ULL;
    psc = period / 65535 + 1;
    TIM3_PSC = psc - 1;		//配置预分频TIM3_PSC
    
    period = period / psc;
    if(period < 2)
    {
    	period = 2;
    }
    TIM3_ARR = period - 1;	//配置TIM3_ARR
    
    pulse = (unsigned long long)pulse * tim_clock / psc / 1000ULL;
    TIM3_CCR1 = pulse;		//配置TIM3_CCR1
    
    TIM3_CNT = 0;
    UG bit = 1;				//软件触发Update event, 以便让TIM3更新各寄存器
}

static void timer3_init(void)
{
	ECE bit = 0, SMS[2:0] = 0; 	//配置CK_CNT时钟来源为内部时钟CK_INT
	DIR bit = 0, CMS[1:0] = 0;	//计数器为Upcounting mode
	OPM bit = 0;				//计数器为循环模式
	TIM3_PSC = 71;		  	  	//一个CK_CNT周期 = 1us (CK_INT频率为 72Mhz)
	TIM3_ARR = 1000 - 1; 		//计数器 Overflow周期：1MS
	ARPE bit = 1;			    //使能寄存器TIM3_ARR的preload功能
	
	CC1S[1:0] = 0;				//TIM3 CC1 channel为输出
	CC1P bit = 0;				//TIMx_CH1引脚高电平有效
	OC1M[2:0] = 0b110;			//TIM3 CC1 channel为 PWM mode1
	OC1PE bit = 1;				//使能寄存器TIM3_CCR1的preload功能
	
	配置TIM3_CH1引脚为复用推挽输出;
}            

三、注意事项

1、UDIS bit 使用场景

  软件写 preload register时，先置位UDIS bit ，然后写preload register，最后再清零UDIS bit，这样可以避免以下两个动作产生冲突：
  updating shadow register from preload register
  writing preload register

2、URS bit 使用场景

  使用CC1和 CC2通道测量输入PWM波形的频率和占空比时，CC1通道采样PWM上升沿，CC2通道采样PWM下降沿，Slave mode为Reset mode 并选择 CC1通道的信号为 TRGI，当CC1通道发生捕获时，TRGI信号会置位UG标志，此时如果UIE标志为1，则会触发 Update interrupt，换句话说，每次CC1通道发生捕获，都会触发Update interrupt，结果就是CPU会频繁响应Update interrupt。

  在这种场景下，软件可以配置 URS bit为0，这样当UIE标志为1时，Counter overflow/underflow时会触发 Update interrupt，但CC1通道发生捕获时，不会触发 Update interrupt。

3、容易混淆的概念：
① 触发Counter reset 条件：软件置位UG标志，或Slave mode为Reset mode时（SMS bits = 100），TRGI信号置位UG标志。
  Upcounting mode或 Center-aligned mode：reset时，Counter值更新为 0
  Downcounting mode：reset时，Counter值更新为ARR值（the autoreload is updated before the counter is reloaded）

② 计数器溢出时，更新Counter值的四种情况：

  Upcounting mode & Counter overflow：Counter值更新为 0

  Downcounting mode & Counter underflow：Counter值更新为ARR值（the autoreload is updated before the counter is reloaded）

  Center-aligned mode & Counter overflow：Counter值更新为ARR值（the autoreload is updated before the counter is reloaded）

  Center-aligned mode & Counter underflow：Counter值更新为 0

③ 触发Update event条件：UDIS标志为0时，（Counter overflow/underflow） || （软件或 TRGI信号 置位UG标志）。
  PS：Update event触发时，preload register的值自动更新到 shadow register

④ 触发UIF标志置位条件：
​  Counter overflow/underflow
  or URS标志为0时，软件或 TRIG信号 置位 UG标志

  PS：UIE标志、UDE标志为1时，UIF标志置位会触发 Update interrupt和 Update DMA request

4、用OCx输出PWM时

  PWM1 mode + Downcounting mode无法输出 0%占空比，

  PWM2 mode + Downcounting mode无法输出 100%占空比。

5、用OCx输出PWM时，如果想在停止输出PWM时控制 OCx电平，可将CC1 channel的输出模式 从PWM mode 改为 force mode。

6、使用TIMx输出PWM时，建议使能TIMx_CCRx 和 TIMx_ARR的preload功能，否则当修改寄存器时，会影响上一个输出的PWM波形。

7、关于高级定时器TIM1&TIM8：

  有Repetition Counter Register：配合计数器的One-pulse mode，可控制在CCx channel上输出的PWM的周期数量，比如控制CC1 channel输出 5个周期的波形。

  一个OCxREF信号可同时控制 OCx、OCxN互补输出：如果只使用OCx、OCxN当中一个引脚输出PWM，注意OCx、OCxN不能同时使能，并且需使能CCx的Main output。

参考资料

[1] STM32F103xx datasheet.

[2] STM32F10xxx reference manual.