第5章 STM32 定时器的应用

5 第 5 章 STM32 定时器的应用

5.1 简介

定时器（Timer）是 STM32 外设中非常重要的部分，用于产生精确的时间基准、PWM 信号、输入捕获、编码器接口、事件触发以及与中断/DMA 协同工作。通过调整时钟分频（Prescaler）和自动重装值（ARR），可以灵活地控制计数周期与分辨率。

5.2 定时器基础概念

STM32 定时器的核心信号路径如下：

图 5-1 该框图展示了定时器基础概念的核心结构，读者可以从中把握各功能单元的层次划分与协作方式。

表 5-1 定时器基础概念

寄存器	缩写	功能	计算公式
预分频器	PSC	分频时钟	$f_{cnt} = f_{clk} / (PSC + 1)$
自动重装载	ARR	设定周期	$T = (ARR + 1) / f_{cnt}$
捕获/比较	CCR	设定占空比或捕获时刻	$Duty = CCR / (ARR + 1)$

• 时钟来源：APB1 / APB2 总线时钟，经预分频后进入定时器。注意不同系列定时器的时钟倍频特性。
• 预分频器（Prescaler）：决定计数器时钟频率。计数器时钟 = 定时器时钟 / (Prescaler + 1)。
• 自动重装载寄存器（ARR）：决定计数周期，当计数器达到 ARR 时产生更新事件（Update Event）。
• 捕获/比较寄存器（CCR）：用于输入捕获或输出比较/PWM 的占空比设置。

5.3 计数模式

图 5-2 上图直观呈现了计数模式的组成要素与数据通路，有助于理解系统整体的工作机理。

表 5-2 计数模式

模式	CNT 方向	更新事件	典型应用
向上计数	0 → ARR	溢出时	通用定时/PWM
向下计数	ARR → 0	下溢时	特殊同步场景
中心对齐	0 → ARR → 0	上下溢均可	电机控制对称 PWM

• 向上计数（Upcounting）
• 向下计数（Downcounting）
• 中心对齐模式（Center-aligned）：用于生成对称 PWM 或定时同步场景

5.4 输出比较与 PWM

输出比较 (Output Compare) 可用于生成 PWM 信号和定时输出。PWM 的占空比由 CCRx 与 ARR 的比值决定。

示例：基于 HAL 的简要 PWM 初始化与启动（伪代码）：

// 假设使用 TIM2, 计数频率为 1MHz, 周期 1000 -> 1kHz PWM
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 79;           // 如果 APB1 时钟 80MHz -> 计数时钟 1MHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 999;             // ARR
HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);

TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 500;               // CCRx -> 占空比 50%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

注意在实际工程中通常使用 STM32CubeMX 生成初始化代码并在此基础上修改 CCR 值实现占空比控制。

5.5 输入捕获（Input Capture）

输入捕获用于测量外部信号的频率、占空比或脉宽。基本思路是将外部事件捕获到 CCR 寄存器并读取捕获值，结合定时器时钟与预分频器计算真实时间。

示例流程（伪算法）： 1. 配置通道为输入捕获，设置触发边沿（上升沿/下降沿/双边沿）。 2. 在捕获中断或 DMA 回调中读取 CCR 值并计算时间间隔。 3. 根据计数器溢出与预分频计算最终频率/占空比。

// 简单使用 HAL 获取两次上升沿计数差值
uint32_t last = 0, now = 0;
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1) {
        now = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
        uint32_t diff = (now >= last) ? (now - last) : (now + (htim->Init.Period + 1) - last);
        // diff 对应计数器刻度, 乘以刻度时间得脉宽
        last = now;
    }
}

5.6 编码器接口（Encoder Interface）

STM32 提供专用的编码器接口模式（Encoder Mode），可直接把两相正交编码器信号连接到定时器通道，从而高效读取旋转角度和速度。

图 5-3 上图以框图形式描绘了编码器接口（Encoder Interface）的系统架构，清晰呈现了各模块之间的连接关系与信号流向。

表 5-3 编码器接口（Encoder Interface）

编码器模式	计数边沿	分辨率	适用场景
模式 1	仅 TI1 边沿	×2	低速简单应用
模式 2	仅 TI2 边沿	×2	低速简单应用
模式 3	TI1 + TI2 双边沿	×4	常用，最高精度

配置要点： - 将两个通道配置为 TI1/TI2 输入 - 选择合适的捕获极性和滤波器 - 使用 16/32 位定时器以满足计数范围需求

5.7 定时器中断与 DMA

• 更新中断（Update Interrupt）：ARR 溢出或手动更新时触发，常用于周期性任务。
• 捕获/比较中断（CCx）：在捕获或比较事件发生时触发，适用于精确定时处理。
• DMA：用于高频数据搬运（例如连续捕获、DAC 波形输出），减少 CPU 负担。

5.8 多定时器同步与高级功能

• 主从模式（Master/Slave）用于定时器间同步触发（例如同步 PWM 或采样同步）。
• 死区时间（Dead-time）与互补输出：用于半桥/全桥驱动，防止上下桥同时导通。
• 触发 ADC：定时器可作为 ADC 触发源实现精确采样同步。

5.9 调试与常见问题

• 时钟配置错误会导致定时器频率偏差，检查 RCC 与 APB 分频设置。
• 中断优先级与中断处理耗时会影响高频事件的可靠性，必要时采用 DMA。
• ARR/Prescaler 设置需避免计数器溢出并兼顾时间分辨率。

5.10 实验与练习（扩展）

下面列出若干针对定时器的教学与工程实验，涵盖从基础到进阶的应用：自制延迟函数、输出比较与呼吸灯、输入捕获与占空比测量、超声波测距、定时器主/从模式（从模式控制器）、编码器实验与占空比测量。每个实验均给出背景、关键实现要点、简化代码与时序/交互图，便于课堂演示与实验室练习。

5.10.1 实验 1：基于定时器的自制延迟函数（精确延时）

目的：使用定时器提供比软件循环更精确且低抖动的延时函数，用于有确定性需求的短延时场景。

要点：使用 32 位计数器或配合溢出处理，避免被中断长时间占用影响精度；若需在低功耗下延时，结合睡眠模式并用定时器唤醒更合适。

示例（裸机 HAL 风格）：

/* 返回以微秒为单位的延时，使用 TIMx 的 1MHz 计数 */
void delay_us(uint32_t us) {
    __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htimx, 0);
    HAL_TIM_Base_Start(&htimx);
    while (__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htimx) < us) {
        // 可在此检查并允许中断发生
    }
    HAL_TIM_Base_Stop(&htimx);
}

注意：当延时较长（数 ms 以上）时优先使用 tick/systicks 或任务延时以避免占用 CPU。

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5.10.2 实验 2：输出比较与呼吸灯（PWM 占空比渐变）

目的：掌握 PWM 的动态占空比调整与软硬件结合产生呼吸灯效果。

实现思路：使用定时器 PWM 输出并在定时器中断或软件定时器回调中周期性调整 CCR 值；对于平滑效果，采用三角/正弦波形表或分段线性插值。

示例：基于 HAL 的周期性占空比更新（使用 DMA 或定时器中断）

// 在 TIM 回调中更新占空比
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    static int dir = 1;
    static uint32_t duty = 0;
    if (htim->Instance == TIMx) {
        duty += dir ? 1 : -1;
        if (duty == 0 || duty == 1000) dir = !dir;
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim_pwm, TIM_CHANNEL_1, duty);
    }
}

时序图：

图 5-4 该框图展示了实验 2：输出比较与呼吸灯（PWM 占空比渐变）的核心结构，读者可以从中把握各功能单元的层次划分与协作方式。

优化建议：为平滑视觉效果可在占空比更新中使用非线性（伽马校正或正弦表）映射。

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5.10.3 实验 3：输入捕获与占空比测量

目的：测量外部方波的周期与高电平时间，从而计算频率与占空比（Duty Cycle）。

实现要点：使用捕获上升沿记录周期、捕获下降沿记录高电平时间；处理计数器溢出。可使用双通道捕获或在单通道上交替配置边沿捕获。

代码示例（HAL 回调）：

volatile uint32_t t_rise = 0, t_fall = 0, period = 0, high_time = 0;
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    static uint8_t state = 0; // 0: 等待上升, 1: 等待下降
    uint32_t capture = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
    if (state == 0) {
        t_rise = capture; // 上升沿
        // 切换为捕获下降
        __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING);
        state = 1;
    } else {
        t_fall = capture; // 下降沿
        // 计算 high_time
        high_time = (t_fall >= t_rise) ? (t_fall - t_rise) : (t_fall + (htim->Init.Period + 1) - t_rise);
        // 下一步捕获上升沿以测周期
        __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING);
        state = 0;
        // 若需要再计算周期，可保存上一个上升时间并求差
    }
}

输出计算：频率 = timer_clock / (period_counts); 占空比 = high_time / period.

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5.10.4 实验 4：超声波测距（HC-SR04 类）

目的：使用定时器输出一个 10us 的触发脉冲并用输入捕获测量回波脉宽，从而计算距离。

流程： 1) 将 TRIG 引脚产生 10us 高脉冲（可通过 GPIO + delay_us 或使用输出比较短脉冲）； 2) 触发后开启输入捕获，测量 ECHO 引脚高电平持续时间； 3) 距离 = (echo_time_us) * (声速约 343 m/s) / 2。

示例代码（伪代码）：

void hc_sr04_trigger(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(TRIG_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(10);
    HAL_GPIO_WritePin(TRIG_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    // 启动输入捕获以测量 ECHO
}

// 捕获回调中计算时间
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    static uint32_t t_start = 0;
    uint32_t cap = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
    if (HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_SET) {
        t_start = cap;
    } else {
        uint32_t t_end = cap;
        uint32_t delta = (t_end >= t_start) ? (t_end - t_start) : (t_end + (htim->Init.Period + 1) - t_start);
        uint32_t time_us = delta; // 依计数器刻度为 1us
        float distance_m = (time_us * 1e-6f) * 343.0f / 2.0f;
    }
}

注意：回波时间可能达到数十 ms，需选择合适的计数器位宽与预分频以避免溢出；处理异常回波与超时。

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5.10.5 实验 5：定时器主/从（从模式控制器）——同步触发与级联

目的：学习使用定时器主/从模式（Master/Slave）实现多通道同步、采样对齐或扩展计数位宽。

要点： - 主定时器产生触发输出（TRGO），从定时器配置为触发输入（Trigger Input）并在触发时重载或启动； - 可用于：多路 PWM 同步、ADC 多通道同步采样、级联定时器扩展计数深度（例如将两个 16 位定时器组合成 32 位计数）。

示意图：

图 5-5 上图直观呈现了实验 5：定时器主/从（从模式控制器）——同步触发与级联的组成要素与数据通路，有助于理解系统整体的工作机理。

简要配置思路（伪代码）：

// 主：配置 TRGO 为更新事件
hdtim_master.Init...;
HAL_TIM_Base_Init(&hdtim_master);
// 从：配置触发输入为 ITRx（对应主定时器）并选择 SlaveMode
hdtim_slave.Init...;
__HAL_TIM_SET_TRIGGER_SOURCE(&hdtim_slave, TIM_TS_ITR0);
__HAL_TIM_SET_SLAVE_MODE(&hdtim_slave, TIM_SLAVEMODE_TRIGGER);

应用示例：使用 TIM1 作为主时钟生成 1kHz 触发，TIM2 在触发时采样或累加计数。

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5.10.6 实验 6：占空比测量的进阶：双通道捕获法

目的：在复杂信号或高频场合提升测量可靠性，使用两个通道分别捕获上升与下降沿或用两路滤波独立采样。

实现提示： - 将信号接到 TIM 的 CH1(上升) 和 CH2(下降)；在同一周期捕获两个通道值直接计算高/低时间，减小切换配置带来的延迟。示例代码与输入捕获类似。

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5.10.7 实验 7：编码器实验（增量编码器实战）

目的：使用定时器编码器模式读取增量编码器位移与速度，并结合滤波/微分计算速度。

步骤要点： 1) 将编码器 A/B 相连接到 TIM 的两个通道，启用编码器接口模式； 2) 定期读取计数器（CNT）并处理溢出以获得累积计数； 3) 通过差分计数除以采样周期计算速度； 4) 对低速范围使用降速滤波或累积法提高分辨率。

代码片段（读取累积计数）：

uint32_t last_cnt = 0;
int32_t total = 0;
void encoder_task(void *arg) {
    for (;;) {
        uint32_t cnt = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim_enc);
        int32_t diff = (int32_t)(cnt - last_cnt);
        // 处理计数器向下/向上溢出
        if (diff > 32767) diff -= 65536;
        if (diff < -32768) diff += 65536;
        total += diff;
        last_cnt = cnt;
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(10));
    }
}

实验扩展：实现速度闭环（将编码器读数作为反馈）与滤波、分辨率提升技术（插值、高速采样）。

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以上实验可单独作为课堂练习或组合成综合项目（例如：用编码器与占空比测量实现闭环速度控制，并用超声波测距作为避障信号）。

5.11 本章小结

本章系统介绍了 STM32 定时器的基础概念、计数模式、输出比较与 PWM、输入捕获、编码器接口、中断与 DMA，以及多定时器同步等高级功能。通过实验练习，读者应能掌握定时器在机器人系统中的核心应用。

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5.12 参考资料

• ST 官方参考手册（RM 系列）
• STM32 HAL/LL 库 API 文档
• 《STM32 嵌入式系统开发实战》 相关章节

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5.13 本章测验

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1) STM32 定时器的计数器时钟频率计算公式是：

定时器时钟 × (Prescaler + 1)

定时器时钟 / (Prescaler + 1)

定时器时钟 / Prescaler

定时器时钟 × Prescaler

正确。预分频器将定时器时钟除以 (Prescaler + 1)，得到实际的计数时钟频率。

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2) 在中心对齐计数模式（Center-aligned）下，定时器主要用于什么场景？

精确延时

生成对称 PWM 波形或定时同步

输入捕获测量脉宽

编码器接口

正确。中心对齐模式常用于生成对称 PWM，特别适合电机控制等需要对称波形的应用。

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3) PWM 占空比由以下哪两个寄存器的比值决定？

Prescaler (PSC) 与 Auto-reload (ARR)

Capture/Compare (CCR) 与 Auto-reload (ARR)

Counter (CNT) 与 Prescaler (PSC)

Counter (CNT) 与 Capture/Compare (CCR)

正确。PWM 占空比 = CCR / (ARR + 1)，其中 ARR 决定周期，CCR 决定高电平时间。

#

4) 输入捕获（Input Capture）功能主要用于：

生成 PWM 波形

测量外部信号的频率、占空比或脉宽

控制电机转速

产生精确延时

正确。输入捕获可以捕获外部信号的边沿变化，记录时间戳，从而计算频率和占空比。

#

5) STM32 编码器接口模式（Encoder Mode）的主要优势是：

可以直接驱动电机

硬件直接处理两相正交编码器信号，高效读取旋转角度和速度

自动生成 PWM 控制信号

无需外部编码器

正确。编码器接口模式硬件解码 A/B 相信号，减轻 CPU 负担，提高计数精度。

#

6) 定时器更新中断（Update Interrupt）在什么情况下触发？

捕获到外部信号边沿时

计数器达到 ARR（自动重装载值）溢出或手动更新时

DMA 传输完成时

编码器信号变化时

正确。更新中断在定时器计数周期结束（溢出）时触发，常用于周期性任务。

#

7) 在使用定时器进行输入捕获时，如果两次捕获之间计数器溢出，应该如何处理？

忽略溢出，直接计算差值

考虑溢出情况，使用 (now + (ARR + 1) - last) 计算差值

停止定时器，重新开始

只记录最后一次捕获值

正确。需要处理计数器溢出，确保正确计算时间间隔。

#

8) 定时器主从模式（Master/Slave）主要用于：

扩展定时器计数位宽

多定时器同步触发，例如同步 PWM 或采样同步

提高定时器计数频率

降低功耗

正确。主从模式可以让多个定时器同步工作，实现精确的时间同步。

#

9) 死区时间（Dead-time）在什么情况下特别重要？

输入捕获测量

半桥/全桥驱动，防止上下桥同时导通造成短路

编码器接口

软件 PWM 实现

正确。死区时间确保在开关切换时上下桥臂不会同时导通，避免电源短路。

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10) 以下哪种方法最适合实现高精度、低 CPU 占用的 PWM 输出？

软件循环延时翻转 GPIO

硬件定时器 PWM 模式

外部专用 PWM 芯片

SPI 通信控制

正确。硬件定时器 PWM 模式由硬件自动生成波形，精度高且不占用 CPU。

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（本章为概览性草稿，建议结合目标 MCU 数据手册与 HAL/LL 示例移植并补充具体芯片型号的寄存器细节与代码示例。）

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