STM32定时器主从精准控脉冲

原创于 2025-11-04 12:55:53 发布 · 657 阅读

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#STM32 # 定时器 # 主从模式 # PWM # 精准脉冲 # 硬件控制

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STM32定时器主从模式实现精准脉冲输出

在工业自动化、运动控制和精密信号生成的场景中，我们常常需要向步进电机、激光模组或测试设备发送 严格限定数量的PWM脉冲 。比如：“只输出200个脉冲后立即停止”，且要求每个脉冲频率稳定、相位连续、不因系统负载波动而抖动。

如果用软件循环加中断计数的方式实现，很容易因为中断延迟或多任务调度导致多出或少出一个脉冲——这在高精度定位场合是不可接受的。有没有一种方法，能让MCU硬件自动完成“发N个脉冲就停”的动作，完全不需要CPU参与？

答案是肯定的：利用STM32内置定时器的 主从同步机制 ，配合合理的配置，就可以实现真正意义上的 硬件级精准脉冲控制 。这种方法不仅响应速度快（纳秒级），还能彻底释放CPU资源，特别适合运行FreeRTOS或多任务系统的复杂嵌入式应用。

以STM32F103和STM32F407为例，这两款广泛使用的MCU均配备了功能强大的定时器系统。其中高级定时器（如TIM1/TIM8）支持丰富的触发输出（TRGO）功能，通用定时器则可配置为外部时钟驱动模式，二者结合，构成了主从联动的基础架构。

核心思路其实很直观：
让一个定时器作为“指挥官”（主定时器），它只负责一件事——倒数到设定值后发出一个“收工”信号；
另一个定时器作为“执行者”（从定时器），工作在PWM模式，但它是否运行由主定时器说了算。

当主定时器开始计数时，它通过内部触发通道（ITR）通知从定时器：“你可以开始了”；
当主定时器计满预设次数后，再次发出一个复位或关闭信号，从定时器立刻停止输出。整个过程就像交响乐团中的指挥与乐手之间的默契配合。

那么具体怎么配置呢？关键在于两个定时器的角色分工与通信链路搭建。

首先看主定时器的设计目标：它不需要输出任何波形，只需要精确地“走完N步然后发个信号”。最合适的模式就是 单脉冲模式（One Pulse Mode, OPM） 。

在这种模式下，定时器一旦启动，就会从0向上计数到自动重载寄存器（ARR）设定的值，产生一次更新事件（UEV），然后自动停止。如果我们把ARR设为99，那就是走了100步（0~99）。此时我们可以配置它的TRGO（Trigger Output）引脚，在溢出时输出一个RESET或DISABLE信号。

TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;     // 溢出时输出RESET信号
sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_ENABLE;
HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig);

接下来是从定时器的配置。它要输出PWM波，但不能自己随便启动，必须听命于主定时器。这就需要用到 外部时钟模式1（External Clock Mode 1） 或 门控模式（Gated Mode） 。

我们将从定时器的时钟源设置为来自其他定时器的TRGO信号。例如，使用TIM1的TRGO连接到TIM2的ITR0输入端（这是芯片内部硬连线），然后将TIM2配置为：

TIM_SlaveConfigTypeDef sSlaveConfig = {0};
sSlaveConfig.SlaveMode = TIM_SLAVEMODE_EXTERNAL1;        // 使用外部信号作为时钟
sSlaveConfig.InputTrigger = TIM_TS_ITR0;                 // 选择ITR0作为输入源
HAL_TIM_SlaveConfigSynchronization(&htim2, &sSlaveConfig);

这样一来，TIM2只有在TIM1运行期间才能获得时钟并计数。一旦TIM1完成计数并停止，TRGO信号消失，TIM2也随之停摆，PWM输出自然终止。

举个实际例子：假设我们要从PA5输出100个频率为1kHz、占空比50%的方波脉冲，并在第100个脉冲结束后自动停止。

系统主频为84MHz（F407常见配置），我们可以这样分配参数：

主定时器TIM1：
PSC = 83 → 分频后计数时钟为1MHz
ARR = 99 → 计数100次后溢出
工作在OPM模式，TRGO输出RESET信号
从定时器TIM2：
PSC = 839 → 分频后时钟为100kHz
ARR = 99 → 周期为1ms（即1kHz）
CCR1 = 50 → 占空比50%
工作在PWM模式，时钟源来自TIM1_TRGO via ITR0

代码实现如下：

void MX_TIM1_Init(void)
{
    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = 83;
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim1.Init.Period = 99;  // 100个脉冲
    htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim1);

    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_ENABLE;
    HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig);
}

void MX_TIM2_Init(void)
{
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 839;
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 99;
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);

    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 50;
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

    TIM_SlaveConfigTypeDef sSlaveConfig = {0};
    sSlaveConfig.SlaveMode = TIM_SLAVEMODE_EXTERNAL1;
    sSlaveConfig.InputTrigger = TIM_TS_ITR0;
    HAL_TIM_SlaveConfigSynchronization(&htim2, &sSlaveConfig);
}

启动函数也非常简洁：

void Start_Precision_Pulse(uint32_t pulse_count)
{
    __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim1, pulse_count - 1);
    HAL_TIM_Base_Start(&htim1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}

调用 Start_Precision_Pulse(100); 后，系统便会自动输出100个1kHz的PWM脉冲，完成后TIM2自动停机，无需任何中断服务程序介入。

这种设计的优势远不止“省CPU”这么简单。更重要的是它解决了几个传统方案难以克服的问题：

中断延迟问题 ：传统做法通常在每次PWM中断中递减计数器，达到零时关闭输出。但由于中断响应时间不确定（可能被更高优先级中断抢占），往往会出现+/-1个脉冲的误差。而在主从模式下，这一切都是纯硬件完成的，精度可达一个时钟周期以内。
相位一致性差 ：若采用反复启停PWM的方式，每次重启都可能导致相位跳变。而本方案中从定时器始终由同一个时钟源驱动，只要主定时器重新启动，就能保证波形连续、相位对齐。
参数解耦灵活 ：主定时器控制脉冲总数，从定时器独立设置频率和占空比，两者互不影响。这意味着你可以动态调整输出个数而不改变PWM特性，非常适合参数可变的应用场景。

当然，在实际工程中也有一些细节需要注意：

定时器互联映射关系必须查手册确认 。不同型号的STM32其内部触发连接（ITRx）并不完全相同。例如TIM1_TRGO能否连接到TIM2_ITR0，取决于具体的芯片封装和APB总线布局。务必查阅《参考手册》中的“Timer Interconnection Matrix”表格。
空闲电平控制 。PWM停止后，输出引脚的状态可以通过 OCIdleState 配置。如果你希望停止后引脚拉低，可以设置：
c sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
避免误触发 。在未启用时应确保定时器已完全关闭，必要时调用 HAL_TIM_PWM_Stop() 清理输出状态，防止残留信号干扰外设。
调试技巧 ：虽然整个流程无需中断，但在开发阶段可以临时开启更新中断用于日志跟踪，或者将TRGO信号映射到MCO引脚用示波器观察，验证主定时器是否按时结束。