定时器基础知识与PWM输出原理

单片机

单片机开发中，电机的控制与定时器有着密不可分的关系，无论是直流电机，步进电机还是舵机，都会用到定时器，比如最常用的有刷直流电机，会使用定时器产生PWM波来调节转速，通过定时器的正交编码器接口来测量转速等。

本篇先介绍定时器的基础知识，然后对照这些知识介绍一下定时器输出PWM的基本原理，以及编程实现与代码分析。

首先来看一下定时器的基础介绍。

1 定时器基础知识 1.1 定时器种类

以STM32F4为例，一共有14个定时器：

高级定时器（tiM1、TIM8）
通用定时器（TIM2~TIM5，TIM9~TIM14）
- TIM2~TIM5（通用定时器里功能较多的）
- TIM9/TIM12
- TIM10/TIM11和TIM13/TIM14
基本定时器 (TIM6、TIM7)

1.2 各种定时器的特性 1.2.1 高级定时器与通用定时器

这里列举高级定时器的特性，在此基础上，对比添加其与通用定时器的不同之处：

16 位递增、递减、递增/递减自动重载计数器（TIM2 和 TIM5为32位）
16 位可编程预分频器，用于对计数器时钟频率进行分频（即运行时修改），分频系数介于 1 到 65536 之间。
多达 4 个独立通道（TIM9/TIM12有2个，TIM10/TIM11，TIM13/TIM14只有1个），可用于：
- 输入捕获
- 输出比较
- PWM 生成（边沿和中心对齐模式）（高级定时器和TIM2~TIM5特有，其它是只有边沿对齐模式）
- 单脉冲模式输出
带可编程死区的互补输出（高级定时器特有）。
使用外部信号控制定时器且可实现多个定时器互连的同步电路（TIM10/TIM11，TIM13/TIM14没有）。
重复计数器，用于仅在给定数目的计数器周期后更新定时器寄存器（高级定时器特有）。
用于将定时器的输出信号置于复位状态或已知状态的断路输入（高级定时器特有）。
发生如下事件时生成中断/DMA 请求：
- 更新：计数器上溢/下溢、计数器初始化（通过软件或内部/外部触发）
- 触发事件（计数器启动、停止、初始化或通过内部/外部触发计数）（TIM10/TIM11和TIM13/TIM14没有此功能）
- 输入捕获
- 输出比较
- 断路输入（高级定时器特有）
支持定位用增量（正交）编码器和霍尔传感器电路（高级定时器和TIM2~TIM5特有）。
外部时钟触发输入或逐周期电流管理（高级定时器和TIM2~TIM5特有）。

1.2.2 基本定时器

基本定时器 (TIM6、TIM7）的功能比较单一，所具有的功能如下：

16 位自动重载递增计数器
只能定时，没有外部 IO
16 位可编程预分频器，用于对计数器时钟频率进行分频（即运行时修改），分频系数介于 1 和 65536 之间
用于触发 DAC 的同步电路
发生如下更新事件时会生成中断/DMA 请求：计数器上溢

1.3 定时器使用配置

使用定时器，一般需要配置如下：

时基：也就是计数器的计数时钟
自动重装载值：每次计数的最大值
输出通道：当需要使用定时器输出某种波形时（如PWM）
输入通道：当需要使用定时器接收某种波形时（如电机编码器信号）

先来看一下定时器的原理框图，对定时器的内部原理有一个整体直观的感受：

1.3.1 时钟源

从上图可以看出，计数器的时钟源可以为：

由RCC的内部时钟分频得到
由定时器的TIMx_ETR引脚得到
由其他定时器通过TRGO输出得到

一般使用RCC的内部时钟CK_INT，也即定时器时钟TIMxCLK，经APB1或APB2预分频器后分频提供。

关于定时器时钟源的具体细节，可以来看一下STM32F4的时钟树：

从STM32F4的内部时钟树可知：

高级定时器timer1, timer8以及通用定时器timer9, timer10, timer11的时钟来源是APB2总线(84MHZ)
通用定时器timer2~timer5，通用定时器timer12~timer14以及基本定时器timer6,timer7的时钟来源是APB1总线(42MHZ)

另外：

当APB1和APB2分频数为1的时候，各定时器的时钟就是对应的APB1或APB2的时钟；
如果APB1和APB2分频数不为1，那么各定时器的时钟就是对应的APB1或APB2的时钟的2倍；
由于库函数中 APB1 预分频的系数默认是 2，所以，所以TIM1、TIM8~TIM11的时钟为APB2时钟的两倍即168MHz，TIM2~TIM7、TIM12~TIM14的时钟为APB1的时钟的两倍即84MHz。

1.3.2 计数器时钟

由于定时器时钟的提供的可以频率较高，计数器不需要这么高的频率来计数，所以会进行降频，使用一个合适的低频时钟来计数。

定时器时钟经过PSC 预分频器之后，即 CK_CNT，用来驱动计数器计数。PSC 是一个16 位的预分频器，可以对定时器时钟TIMxCLK 进行 1~65536 之间的任何一个数进行分频。

具体计算方式为：CK_CNT=TIMxCLK/（PSC+1）。

比如，使用STM32F4的通用定时器2（TIM2CLK为APB1的时钟的两倍即84MHz），PSC设置为83，则计数时钟为84MHz/(83+1)=1MHz，即1ms计一个数。

1.3.3 计数器

计数器 CNT 是一个 16 位的计数器，只能往上计数，最大计数值为 65535。当计数达到自动重装载寄存器的时候产生更新事件，并清零从头开始计数。

1.3.4 自动重装载寄存器

自动重装载寄存器 ARR 是一个 16 位的寄存器，这里面装着计数器能计数的最大数值。当计数到这个值的时候，如果使能了中断的，定时器就产生溢出中断。

2 定时器输出PWM原理

如下图是PWM输出的原理示意图：

假设定时器工作模式设置为向上计数 PWM模式，且当 CNT=CCRx 时输出 0，则：

当 CNT 值小于 CCRx 的时候， IO 输出高电平 (1)
当 CNT 值大于等于 CCRx 的时候，IO 输出低电平 (0)
当 CNT 达到 ARR 值的时候，重新归零，然后重新向上计数，依次循环。

因此，改变 CCRx 的值，就可以改变 PWM 输出的占空比，改变 ARR 的值，就可以改变 PWM 输出的周期（频率），这就是利用定时器输出PWM 的基本原理。

3 定时器常用的寄存器

使用定时器来输出PWM时，需要对其寄存器进行相应的设置。定时器的寄存器有好多个，这里先介绍几个与输出PWM相关的几个寄存器，其它是寄存器以后用到时再介绍。

3.1 控制寄存器CR1

控制寄存器，就是来设置定时的工作模式：

位 15:10 保留，必须保持复位值。
位 9:8 CKD：时钟分频 (Clock division) 此位域指示定时器时钟 (CK_INT) 频率与数字滤波器所使用的采样时钟（ETR、TIx）之间的分频比，
位 7 ARPE：自动重载预装载使能 (Auto-reload preload enable)
- 0：TIMx_ARR 寄存器不进行缓冲
- 1：TIMx_ARR 寄存器进行缓冲
位 6:5 CMS：中心对齐模式选择 (Center-aligned mode selection)，包括1种边沿对齐模式与3种中心对齐模式
位 4 DIR：计数器方向 (Direction)，0为递增计数，1为递减计数。
注：当定时器配置为中心对齐模式或编码器模式时，该位为只读状态。
位 3 OPM：单脉冲模式 (One-pulse mode)

位 2 URS：更新请求源 (Update request source)
此位由软件置 1 和清零，用以选择 UEV 事件源。
位 1 UDIS：更新禁止 (Update disable) 此位由软件置 1 和清零，用以使能/禁止 UEV 事件生成。
位 0 CEN：计数器使能 (Counter enable)，0为禁止计数器，1为使能计数器
只有事先通过软件将 CEN 位置 1，才可以使用外部时钟、门控模式和编码器模式。而触发模式可通过硬件自动将 CEN 位置 1。在单脉冲模式下，当发生更新事件时会自动将 CEN 位清零。

3.2 捕获/比较模式寄存器CCMR1

这些通道可用于输入（捕获模式）或输出（比较模式）模式。通道方向通过配置相应的 CCxS 位进行定义。此寄存器的所有其它位在输入模式和输出模式下的功能均不同。对于任一给定位

OCxx 用于说明通道配置为输出时该位对应的功能
ICxx 则用于说明通道配置为输入时该位对应的功能

因此，必须注意同一个位在输入阶段和输出阶段具有不同的含义。

这里仅先介绍输出模式下的功能：

位 15 OC2CE：输出比较 2 清零使能 (Output compare 3 clear enable)
位 14:12 OC2M[2:0]：输出比较 2 模式 (Output compare 2 mode)
位 11 OC2PE：输出比较 2 预装载使能 (Output compare 2 preload enable)
位 10 OC2FE：输出比较 2 快速使能 (Output compare 2 fast enable)
位 9:8 CC2S[1:0]：捕获/比较 2 选择 (Capture/Compare 2 selection) 参考下面的CC1S通道1
位 7 OC1CE：输出比较 1 清零使能 (Output compare 3 clear enable)
OC1CE：输出比较 1 清零使能 (Output Compare 1 Clear Enable)
- 0：OC1Ref 不受 ETRF 输入影响
- 1：ETRF 输入上检测到高电平时， OC1Ref 立即清零。
位 6:4 OC1M：输出比较 1 模式 (Output compare 1 mode) 一共可配置位7种模式，这里仅介绍2种：
- 110：PWM 模式 1––在递增计数模式下，只要 TIMx_CNTTIMx_CCR1，通道 1 便为无效状态 (OC1REF=0)，否则为有效状态 (OC1REF=1)。
- 111：PPWM 模式 2––在递增计数模式下，只要 TIMx_CNTTIMx_CCR1，通道 1 便为有效状态，否则为无效状态。
位 3 OC1PE：输出比较 1 预装载使能 (Output compare 1 preload enable)
- 0：禁止与 TIMx_CCR1 相关的预装载寄存器。可随时向 TIMx_CCR1 写入数据，写入后将立即使用新值。
- 1：使能与 TIMx_CCR1 相关的预装载寄存器。可读/写访问预装载寄存器。TIMx_CCR1 预装载值在每次生成更新事件时都会装载到活动寄存器中。
位 2 OC1FE：输出比较 1 快速使能 (Output compare 1 fast enable)
此位用于加快触发输入事件对 CC 输出的影响（仅当通道配置为 PWM1 或 PWM2 模式时，OCFE 才会起作用）。
- 0：即使触发开启，CC1 也将根据计数器和 CCR1 值正常工作。触发输入出现边沿时，激活CC1 输出的最短延迟时间为 5 个时钟周期。
- 1：触发输入上出现有效边沿相当于 CC1 输出上的比较匹配。随后，无论比较结果如何，OC 都设置为比较电平。采样触发输入和激活 CC1 输出的延迟时间缩短为 3 个时钟周期。
位 1:0 CC1S[1:0]：捕获/比较 1 选择 (Capture/Compare 1 selection)
此位域定义通道方向（输入/输出）以及所使用的输入。
- 00：CC1 通道配置为输出。
- 01：CC1 通道配置为输入，IC1 映射到 TI1 上。
- 10：CC1 通道配置为输入，IC1 映射到 TI2 上。
- 11：CC1 通道配置为输入，IC1 映射到 TRC 上。此模式仅在通过 TS 位（TIMx_SMCR 寄存器）选择内部触发输入时有效
  注：仅当通道关闭时（TIMx_CCER 中的 CC1E = 0），才可向 CC1S 位写入数据。

3.3 计数器CNT

计数器的功能很单一，就是计数：

位 15:0 CNT[15:0]：计数器值 (Counter value)

3.4 预分频器PSC

预分频器的功能也很单一，就是分频：

位 15:0 PSC[15:0]：预分频器值 (Prescaler value)
计数器时钟频率 CK_CNT 等于 fCK_PSC / (PSC[15:0] + 1)。
PSC 包含在每次发生更新事件时要装载到实际预分频器寄存器的值。

3.5 自动重装载寄存器ARR

自动重装载寄存器的功能也很单一，就是保存一个数，在计数满的时候，重新开始计数

位 15:0 ARR[15:0]：自动重载值 (Auto-reload value)
ARR 为要装载到实际自动重载寄存器的值。
当自动重载值为空时，计数器不工作。

3.6 捕获/比较寄存器CCR

自动重装载寄存器的功能也很单一，也是保存一个数，用于与当前的CNT进行比较，注意 TIM2 和 TIM5是32位计数。

以CCR1寄存器（一共有CCR1~CCR4这4个通道）为例：

位31:16 CCR1[31:16]：捕获/比较 1 的高 16 位（对于 TIM2 和 TIM5）。
位15:0 CCR1[15:0]：捕获/比较 1 的低 16 位 (Low Capture/Compare 1 value)
- 如果通道 CC1 配置为输出： CCR1 是捕获/比较寄存器 1 的预装载值。如果没有通过 TIMx_CCMR寄存器中的OC1PE 位来使能预装载功能，写入的数值会被直接传输至当前寄存器中。否则只在发生更新事件时生效（拷贝到实际起作用的捕获/ 比较寄存器1）。实际捕获/比较寄存器中包含要与计数器 TIMx_CNT进行比较并在 OC1 输出上发出信号的值。
- 如果通道 CC1 配置为输入： CCR1 为上一个输入捕获 1 事件 (IC1) 发生时的计数器值。

4 代码实现与分析

上面介绍了定时器的基础知识与PWM的输出原理，下面就来实际看一下，如何编写对应的代码（以STM32F407为例）。

4.1 定时器初始化

定时器的初始化，因为需要用到对应的引脚输出PWM，因此要先初始化GPIO引脚，然后，还要初始化定时器的时基（计数的时钟）以及输出通道（用于配置PWM的输出模式）。

4.1.1 复用引脚初始化

这里用到的是定时器3，根据STM32F407的数据手册“3 Pinouts and pin description”中的“Table 9. Alternate function mapping”复用引脚说明表，可以看到定时器3通道1对应的引脚位A6:

因此程序中对A6引脚可以这样配置，注意一定要配置引脚的复用功能：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /*引脚配置结构体*/RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); //使能PORTA时钟 GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_TIM3); /*GPIOA6复用为定时器3*//*复用引脚配置*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6; //GPIOA6GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; /*复用功能*/GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHzGPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); //初始化PA6
4.1.2 时基初始化

时基初始化，主要是配置定时器的计数频率（psc）和自动重装置值（每次计数的周期，arr），比如TIM3_PWM_Init(500-1,84-1);

（关于psc与arr的知识点，可以再回顾一下上面1.3节的知识）

这里将arr的值设置为500，即计数器每计够500个数就会重新从0开始计数，这个500再乘以计数器计数的周期，就是PWM真正的周期，那计数器计数的频率是多少呢（频率的倒数为周期）？

这里将psc的值设置为84-1，即TIM3的输入频率为84MHz再将频率降低1/84，即使用1MHz的频率计数（1s能计1,000,000个数，也即1us计1个数），那么PWM的真正周期就是500*1us=500us(0.5ms)，通过改变占空比的值（ccr）,就可以调节PWM的输出占空比。

时基初始化配置如下：

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; /*时基结构体*/RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE); //TIM3时钟使能 /*时基初始化*/TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr; /*ARR 自动重装载值(周期)，例如500*/TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc; /*PSC 定时器分频，例如84*/TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; /*时钟分割*/TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; /*向上计数模式*/TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseStructure); /*初始化定时器3*/

最后一句的时基初始化，起始就是对定时的寄存器进行配置，该函数的内部实现如下：

void TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStruct){ uint16_t tmpcr1 = 0; tmpcr1 = TIMx->CR1; if((TIMx == TIM1) || (TIMx == TIM8)|| /*高级定时器TIM和TIM8*/ (TIMx == TIM2) || (TIMx == TIM3)||(TIMx == TIM4) || (TIMx == TIM5)) /*通用定时器中的TIM2~TIM5*/ { /* 设置为计数器模式 */ tmpcr1 &= (uint16_t)(~(TIM_CR1_DIR | TIM_CR1_CMS)); tmpcr1 |= (uint32_t)TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_CounterMode; } if((TIMx != TIM6) && (TIMx != TIM7)) /*基本定时器TIM6和TIM7无此功能*/ { /* 设置时钟分频 */ tmpcr1 &= (uint16_t)(~TIM_CR1_CKD); tmpcr1 |= (uint32_t)TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_ClockDivision; } /* 配置CR1寄存器 */ TIMx->CR1 = tmpcr1; /* 配置ARR寄存器，设置自动重转载值 */ TIMx->ARR = TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_Period ; /* 配置PSC寄存器，设置预分频值 */ TIMx->PSC = TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_Prescaler; if ((TIMx == TIM1) || (TIMx == TIM8)) /*高级定时器TIM和TIM8*/ { /* 配置RCR寄存器，设置重复计数值 */ TIMx->RCR = TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_RepetitionCounter; } /* 生成一个更新事件来立即重新加载预分频器和重复计数器(仅针对高级定时器TIM1和TIM8)值 */ TIMx->EGR = TIM_PSCReloadMode_Immediate; }
4.1.3 输出通道初始化

输出通道初始化，主要是配置输出的一些参数，这里主要关注TIM_OCMode（模式）与TIM_OCPolarity（极性），这两个参数是配合使用的：

PWM模式1
- 向上计数时，一旦TIMx_CNT有效电平，否则为无效电平；
- 向下计数时，一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1时通道1为无效电平，否则为有效电平。
PWM模式2
- 向上计数时，一旦TIMx_CNT无效电平，否则为有效电平；
- 向下计数时，一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1时通道1为有效电平，否则为无效电平。

这里的有效电平又是什么意思呢？怎么算有效电平？它就是通过极性来配置的：

输出High模式：有效电平为高电平
输出Low模式：有效电平为低电平

对比着再来看这张图：

当CNT的计数值小于CCR时，即t1这个时间段，输出有效电平（TIM_OCMode_PWM1模式），而有效电平是高电平（极性为TIM_OCPolarity_High），所以PWM的IO逻辑在t1这个时间段输出了高电平。

输出通道的配置如下：

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; /*输出通道结构体*//*输出通道初始化，初始化TIM3 Channel1 PWM模式*/ TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; /*选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1*/TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; /*输出极性:TIM输出比较极性高*/TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); //根据指定的参数初始化外设TIM3 OC1TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); /*使能TIM3在CCR1上的预装载寄存器*/TIM_ARRPreloadConfig(TIM3,ENABLE);/*ARPE使能：使能控制寄存器CR的第8位：ARPR, Auto-reload preload enable*/TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); /*使能TIM3：使能控制寄存器CR的第0位：CEN, counter enable*/

关于配置CCMR1、CCER寄存器

CCMR1:

CCER:

TIM_OC1Init函数对应于输入通道的初始化，其实就是操作CCMR1、CCER等寄存器：

void TIM_OC1Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct){ uint16_t tmpccmrx = 0, tmpccer = 0, tmpcr2 = 0; TIMx->CCER &= (uint16_t)~TIM_CCER_CC1E;/* 关闭通道1: 复位CC1E位 */ tmpccer = TIMx->CCER;/* 获取 TIMx CCER 寄存器的值 */ tmpcr2 = TIMx->CR2; /* 获取 TIMx CR2 寄存器的值 */ tmpccmrx = TIMx->CCMR1;/* 获取TIMx CCMR1 寄存器的值 */ tmpccmrx &= (uint16_t)~TIM_CCMR1_OC1M; /* 复位输出比较模式OC1M位 */ tmpccmrx &= (uint16_t)~TIM_CCMR1_CC1S; tmpccmrx |= TIM_OCInitStruct->TIM_OCMode;/* 设置为输出比较模式 */ tmpccer &= (uint16_t)~TIM_CCER_CC1P; /* 复位输出极性CC1P */ tmpccer |= TIM_OCInitStruct->TIM_OCPolarity; /* 设置输出极性 */ tmpccer |= TIM_OCInitStruct->TIM_OutputState; /* 设置输出状态 */ if((TIMx == TIM1) || (TIMx == TIM8)) /*高级定时器的特殊配置*/ { //省略。。。 } TIMx->CR2 = tmpcr2; /* 写数据到TIMx的CR2寄存器 */ TIMx->CCMR1 = tmpccmrx; /* 写数据到TIMx的CCMR1寄存器 */ TIMx->CCR1 = TIM_OCInitStruct->TIM_Pulse;/* 设置CCR1寄存器 */ TIMx->CCER = tmpccer; /* 写数据到TIMx的CCER寄存器 */}
4.2 动态改变占空比

占空比是通过修改CCR寄存器的值进行修改的，如果定时器初始化时只设置了1次CCR的值，那么会输出恒定占空比的PWM波；如果在定时器运行的时候，动态修改CCR的值，则可以实现PWM占空比的动态调整。

如下程序，实现了每隔10ms对占空比进行一次修改，每次将高电平计数值增加5，当增大道500（占空比100%）时，再逐渐减小到0（占空比0%），不断循环。

u16 led0pwmval=0; u8 dir=1;TIM3_PWM_Init(500-1,84-1); //84M/84=1Mhz的计数频率,重装载值500，所以PWM频率为 1M/500=2Khz. while(1) //实现比较值从0-500递增，到500后从500-0递减，循环{ delay_ms(10); if(dir) { led0pwmval+=5; //dir==1 led0pwmval递增 } else { led0pwmval-=5; //dir==0 led0pwmval递减 } if(led0pwmval>500) { dir=0; //led0pwmval到达500后，方向为递减 } if(led0pwmval==0) { dir=1; //led0pwmval递减到0后，方向改为递增 } TIM_SetCompare1(TIM3,led0pwmval); /*CCR 修改比较值（占空比）*/} 5 测试效果

将程序下载到板子，我用的一块STM32F407的板，A6引脚上接了一个LED灯，实际效果的LED逐渐变凉，在逐渐变暗，依次循环。

再通过逻辑分析仪来查看实际的输出波形，如下图，测得的pwm周期0.5ms（频率2kHz），与软件中设定的一致。

在某一时刻，脉宽55us。

在另一时刻，脉宽0.365ms，即实现了PWM脉宽的动态调整。

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