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32.1 高级控制定时器
高级控制定时器(TIM1和TIM8)和通用定时器在基本定时器的基础上引入了外部引脚，可以输入捕获和输出比较功能。高级控制定时器比通用定时器增加了可编程死区互补输出、重复计数器、带刹车(断路)功能，这些功能都是针对工业电机控制方面。这几个功能在本书不做详细的介绍，主要介绍常用的输入捕获和输出比较功能。 高级控制定时器时基单元包含一个16位自动重载计数器ARR，一个16位的计数器CNT，可向上/下计数，一个16位可编程预分频器PSC，预分频器时钟源有多种可选，有内部的时钟、外部时钟。还有一个8位的重复计数器RCR，这样最高可实现40位的可编程定时。 STM32F429IGT6的高级/通用定时器的IO分配具体见表 01。配套开发板因为IO资源紧缺，定时器的IO很多已经复用它途，故下表中的IO只有部分可用于定时器的实验。 表 01 高级控制和通用定时器通道引脚分布
32.2 高级控制定时器功能框图 高级控制定时器功能框图包含了高级控制定时器最核心内容，掌握了功能框图，对高级控制定时器就有一个整体的把握，在编程时思路就非常清晰，见图 01。 关于图中带阴影的寄存器，即带有影子寄存器，指向左下角的事件更新图标以及指向右上角的中断和DMA输出标志在上一章已经做了解释，这里就不再介绍。 图 01 高级控制定时器功能框图 1. ①时钟源 高级控制定时器有四个时钟源可选： 内部时钟源CK_INT 外部时钟模式1：外部输入引脚TIx（x=1,2,3,4） 外部时钟模式2：外部触发输入ETR 内部触发输入 内部时钟源(CK_INT) 内部时钟CK_INT即来自于芯片内部，等于180M，一般情况下，我们都是使用内部时钟。当从模式控制寄存器TIMx_SMCR的SMS位等于000时，则使用内部时钟。 外部时钟模式1 图 02 外部时钟模式1框图 ①：时钟信号输入引脚 当使用外部时钟模式1的时候，时钟信号来自于定时器的输入通道，总共有4个，分别为TI1/2/3/4，即TIMx_CH1/2/3/4。具体使用哪一路信号，由TIM_CCMx的位CCxS[1:0]配置，其中CCM1控制TI1/2，CCM2控制TI3/4。 ②：滤波器 如果来自外部的时钟信号的频率过高或者混杂有高频干扰信号的话，我们就需要使用滤波器对ETRP信号重新采样，来达到降频或者去除高频干扰的目的，具体的由TIMx_CCMx的位ICxF[3:0]配置。 ③：边沿检测 边沿检测的信号来自于滤波器的输出，在成为触发信号之前，需要进行边沿检测，决定是上升沿有效还是下降沿有效，具体的由TIMx_CCER的位CCxP和CCxNP配置。 ④：触发选择 当使用外部时钟模式1时，触发源有两个，一个是滤波后的定时器输入1（TI1FP1）和滤波后的定时器输入2（TI2FP2），具体的由TIMxSMCR的位TS[2:0]配置。 ⑤：从模式选择 选定了触发源信号后，最后我们需把信号连接到TRGI引脚，让触发信号成为外部时钟模式1的输入，最终等于CK_PSC，然后驱动计数器CNT计数。具体的配置TIMx_SMCR的位SMS[2:0]为000即可选择外部时钟模式1。 ⑥：使能计数器 经过上面的5个步骤之后，最后我们只需使能计数器开始计数，外部时钟模式1的配置就算完成。使能计数器由TIMx_CR1的位CEN配置。 外部时钟模式2 图 03 外部时钟模式2框图 ①：时钟信号输入引脚 当使用外部时钟模式2的时候，时钟信号来自于定时器的特定输入通道TIMx_ETR，只有1个。 ②：外部触发极性 来自ETR引脚输入的信号可以选择为上升沿或者下降沿有效，具体的由TIMx_SMCR的位ETP配置。 ③：外部触发预分频器 由于ETRP的信号的频率不能超过TIMx_CLK（180M）的1/4，当触发信号的频率很高的情况下，就必须使用分频器来降频，具体的由 TIMx_SMCR的位ETPS[1:0]配置。 ④：滤波器 如果ETRP的信号的频率过高或者混杂有高频干扰信号的话，我们就需要使用滤波器对ETRP信号重新采样，来达到降频或者去除高频干扰的目的。具体的由TIMx_SMCR的位ETF[3:0]配置，其中的fDTS是由内部时钟CK_INT分频得到，具体的由TIMx_CR1的位CKD[1:0]配置。 ⑤：从模式选择 经过滤波器滤波的信号连接到ETRF引脚后，触发信号成为外部时钟模式2的输入，最终等于CK_PSC，然后驱动计数器CNT计数。具体的配置TIMx_SMCR的位ECE为1即可选择外部时钟模式2。 ⑥：使能计数器 经过上面的5个步骤之后，最后我们只需使能计数器开始计数，外部时钟模式2的配置就算完成。使能计数器由TIMx_CR1的位CEN配置。 内部触发输入 内部触发输入是使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器。硬件上高级控制定时器和通用定时器在内部连接在一起，可以实现定时器同步或级联。主模式的定时器可以对从模式定时器执行复位、启动、停止或提供时钟。高级控制定时器和部分通用定时器(TIM2至TIM5)可以设置为主模式或从模式，TIM9和TIM10可设置为从模式。 图 04为主模式定时器(TIM1)为从模式定时器(TIM2)提供时钟，即TIM1用作TIM2的预分频器。 图 04 TIM1用作TIM2的预分频器 2. ②控制器 高级控制定时器控制器部分包括触发控制器、从模式控制器以及编码器接口。触发控制器用来针对片内外设输出触发信号，比如为其它定时器提供时钟和触发DAC/ADC转换。 编码器接口专门针对编码器计数而设计。从模式控制器可以控制计数器复位、启动、递增/递减、计数。 3. ③时基单元 图 05 高级定时器时基单元 高级控制定时器时基单元包括四个寄存器，分别是计数器寄存器(CNT)、预分频器寄存器(PSC)、自动重载寄存器(ARR)和重复计数器寄存器(RCR)。其中重复计数器RCR是高级定时器独有，通用和基本定时器没有。前面三个寄存器都是16位有效，TIMx_RCR寄存器是8位有效。 预分频器PSC 预分频器PSC，有一个输入时钟CK_PSC和一个输出时钟CK_CNT。输入时钟CK_PSC就是上面时钟源的输出，输出CK_CNT则用来驱动计数器CNT计数。通过设置预分频器PSC的值可以得到不同的CK_CNT，实际计算为：fCK_CNT等于fCK_PSC/(PSC[15:0]+1)，可以实现1至65536分频。 计数器CNT 高级控制定时器的计数器有三种计数模式，分别为递增计数模式、递减计数模式和递增/递减(中心对齐)计数模式。 (1) 递增计数模式下，计数器从0开始计数，每来一个CK_CNT脉冲计数器就增加1，直到计数器的值与自动重载寄存器ARR值相等，然后计数器又从0开始计数并生成计数器上溢事件，计数器总是如此循环计数。如果禁用重复计数器，在计数器生成上溢事件就马上生成更新事件(UEV)；如果使能重复计数器，每生成一次上溢事件重复计数器内容就减1，直到重复计数器内容为0时才会生成更新事件。 (2) 递减计数模式下，计数器从自动重载寄存器ARR值开始计数，每来一个CK_CNT脉冲计数器就减1，直到计数器值为0，然后计数器又从自动重载寄存器ARR值开始递减计数并生成计数器下溢事件，计数器总是如此循环计数。如果禁用重复计数器，在计数器生成下溢事件就马上生成更新事件；如果使能重复计数器，每生成一次下溢事件重复计数器内容就减1，直到重复计数器内容为0时才会生成更新事件。 (3) 中心对齐模式下，计数器从0开始递增计数，直到计数值等于(ARR-1)值生成计数器上溢事件，然后从ARR值开始递减计数直到1生成计数器下溢事件。然后又从0开始计数，如此循环。每次发生计数器上溢和下溢事件都会生成更新事件。 自动重载寄存器ARR 自动重载寄存器ARR用来存放与计数器CNT比较的值，如果两个值相等就递减重复计数器。可以通过TIMx_CR1寄存器的ARPE位控制自动重载影子寄存器功能，如果ARPE位置1，自动重载影子寄存器有效，只有在事件更新时才把TIMx_ARR值赋给影子寄存器。如果ARPE位为0，则修改TIMx_ARR值马上有效。 重复计数器RCR 在基本/通用定时器发生上/下溢事件时直接就生成更新事件，但对于高级控制定时器却不是这样，高级控制定时器在硬件结构上多出了重复计数器，在定时器发生上溢或下溢事件是递减重复计数器的值，只有当重复计数器为0时才会生成更新事件。在发生N+1个上溢或下溢事件(N为RCR的值)时产生更新事件。 4. ④输入捕获 图 06 输入捕获功能框图 输入捕获可以对输入的信号的上升沿，下降沿或者双边沿进行捕获，常用的有测量输入信号的脉宽和测量PWM输入信号的频率和占空比这两种。 输入捕获的大概的原理就是，当捕获到信号的跳变沿的时候，把计数器CNT的值锁存到捕获寄存器CCR中，把前后两次捕获到的CCR寄存器中的值相减，就可以算出脉宽或者频率。如果捕获的脉宽的时间长度超过你的捕获定时器的周期，就会发生溢出，这个我们需要做额外的处理。 ①输入通道 需要被测量的信号从定时器的外部引脚TIMx_CH1/2/3/4进入，通常叫TI1/2/3/4，在后面的捕获讲解中对于要被测量的信号我们都以TIx为标准叫法。 ②输入滤波器和边沿检测器 当输入的信号存在高频干扰的时候，我们需要对输入信号进行滤波，即进行重新采样，根据采样定律，采样的频率必须大于等于两倍的输入信号。比如输入的信号为1M，又存在高频的信号干扰，那么此时就很有必要进行滤波，我们可以设置采样频率为2M，这样可以在保证采样到有效信号的基础上把高于2M的高频干扰信号过滤掉。 滤波器的配置由CR1寄存器的位CKD[1:0]和CCMR1/2的位ICxF[3:0]控制。从ICxF位的描述可知，采样频率fSAMPLE可以由fCK_INT和fDTS分频后的时钟提供，其中是fCK_INT内部时钟，fDTS是fCK_INT经过分频后得到的频率，分频因子由CKD[1:0]决定，可以是不分频，2分频或者是4分频。 边沿检测器用来设置信号在捕获的时候是什么边沿有效，可以是上升沿，下降沿，或者是双边沿，具体的由CCER寄存器的位CCxP和CCxNP决定。 ③捕获通道 捕获通道就是图中的IC1/2/3/4，每个捕获通道都有相对应的捕获寄存器CCR1/2/3/4，当发生捕获的时候，计数器CNT的值就会被锁存到捕获寄存器中。 这里我们要搞清楚输入通道和捕获通道的区别，输入通道是用来输入信号的，捕获通道是用来捕获输入信号的通道，一个输入通道的信号可以同时输入给两个捕获通道。比如输入通道TI1的信号经过滤波边沿检测器之后的TI1FP1和TI1FP2可以进入到捕获通道IC1和IC2，其实这就是我们后面要讲的PWM输入捕获，只有一路输入信号（TI1）却占用了两个捕获通道（IC1和IC2）。当只需要测量输入信号的脉宽时候，用一个捕获通道即可。输入通道和捕获通道的映射关系具体由寄存器CCMRx的位CCxS[1:0]配置。 ④的预分频器 ICx的输出信号会经过一个预分频器，用于决定发生多少个事件时进行一次捕获。具体的由寄存器CCMRx的位ICxPSC配置，如果希望捕获信号的每一个边沿，则不分频。 ⑤捕获寄存器 经过预分频器的信号ICxPS是最终被捕获的信号，当发生捕获时（第一次），计数器CNT的值会被锁存到捕获寄存器CCR中，还会产生CCxI中断，相应的中断位CCxIF（在SR寄存器中）会被置位，通过软件或者读取CCR中的值可以将CCxIF清0。如果发生第二次捕获（即重复捕获：CCR 寄存器中已捕获到计数器值且 CCxIF 标志已置 1），则捕获溢出标志位CCxOF（在SR寄存器中）会被置位，CCxOF只能通过软件清零。 5. ⑤输出比较 图 07 输出比较功能框图 输出比较就是通过定时器的外部引脚对外输出控制信号，有冻结、将通道X（x=1,2,3,4）设置为匹配时输出有效电平、将通道X设置为匹配时输出无效电平、翻转、强制变为无效电平、强制变为有效电平、PWM1和PWM2这八种模式，具体使用哪种模式由寄存器CCMRx的位OCxM[2:0]配置。其中PWM模式是输出比较中的特例，使用的也最多。 ①比较寄存器 当计数器CNT的值跟比较寄存器CCR的值相等的时候，输出参考信号OCxREF的信号的极性就会改变，其中OCxREF=1（高电平）称之为有效电平，OCxREF=0（低电平）称之为无效电平，并且会产生比较中断CCxI，相应的标志位CCxIF（SR寄存器中）会置位。然后OCxREF再经过一系列的控制之后就成为真正的输出信号OCx/OCxN。 ②死区发生器 在生成的参考波形OCxREF的基础上，可以插入死区时间，用于生成两路互补的输出信号OCx和OCxN，死区时间的大小具体由BDTR寄存器的位DTG[7:0]配置。死区时间的大小必须根据与输出信号相连接的器件及其特性来调整。下面我们简单举例说明下带死区的PWM信号的应用，我们以一个板桥驱动电路为例。 图 08 半桥驱动电路 在这个半桥驱动电路中，Q1导通，Q2截止，此时我想让Q1截止Q2导通，肯定是要先让Q1截止一段时间之后，再等一段时间才让Q2导通，那么这段等待的时间就称为死区时间，因为Q1关闭需要时间（由MOS管的工艺决定）。如果Q1关闭之后，马上打开Q2，那么此时一段时间内相当于Q1和Q2都导通了，这样电路会短路。 图 09是针对上面的半桥驱动电路而画的带死区插入的PWM信号，图中的死区时间要根据MOS管的工艺来调节。 图 09 带死区插入的互补输出 ③输出控制 图 010 输出比较（通道1~3）的输出控制框图 在输出比较的输出控制中，参考信号OCxREF在经过死区发生器之后会产生两路带死区的互补信号OCx_DT和OCxN_DT（通道1~3才有互补信号，通道4没有，其余跟通道1~3一样），这两路带死区的互补信号然后就进入输出控制电路，如果没有加入死区控制，那么进入输出控制电路的信号就直接是OCxREF。 进入输出控制电路的信号会被分成两路，一路是原始信号，一路是被反向的信号，具体的由寄存器CCER的位CCxP和CCxNP控制。经过极性选择的信号是否由OCx引脚输出到外部引脚CHx/CHxN则由寄存器CCER的位CxE/CxNE配置。 如果加入了断路（刹车）功能，则断路和死区寄存器BDTR的MOE、OSSI和OSSR这三个位会共同影响输出的信号。 ④输出引脚 输出比较的输出信号最终是通过定时器的外部IO来输出的，分别为CH1/2/3/4，其中前面三个通道还有互补的输出通道CH1/2/3N。更加详细的IO说明还请查阅相关的数据手册。 6. ⑥断路功能 断路功能就是电机控制的刹车功能，使能断路功能时，根据相关控制位状态修改输出信号电平。在任何情况下，OCx和OCxN输出都不能同时为有效电平，这关系到电机控制常用的H桥电路结构原因。 断路源可以是时钟故障事件，由内部复位时钟控制器中的时钟安全系统(CSS)生成，也可以是外部断路输入IO，两者是或运算关系。 系统复位启动都默认关闭断路功能，将断路和死区寄存器(TIMx_BDTR)的BKE为置1，使能断路功能。可通过TIMx_BDTR 寄存器的BKP位设置设置断路输入引脚的有效电平，设置为1时输入BRK为高电平有效，否则低电平有效。 发送断路时，将产生以下效果： TIMx_BDTR 寄存器中主输出模式使能(MOE)位被清零，输出处于无效、空闲或复位状态； 根据相关控制位状态控制输出通道引脚电平；当使能通道互补输出时，会根据情况自动控制输出通道电平； 将TIMx_SR 寄存器中的 BIF位置 1，并可产生中断和DMA传输请求。 如果 TIMx_BDTR 寄存器中的 自动输出使能(AOE)位置 1，则MOE位会在发生下一个UEV事件时自动再次置 1。 1.1 输入捕获应用 输入捕获一般应用在两个方面，一个方面是脉冲跳变沿时间测量，另一方面是PWM输入测量。 1.1.1 测量脉宽或者频率 图 011 脉宽/频率测量示意图 1. 测量频率 当捕获通道TIx上出现上升沿时，发生第一次捕获，计数器CNT的值会被锁存到捕获寄存器CCR中，而且还会进入捕获中断，在中断服务程序中记录一次捕获（可以用一个标志变量来记录），并把捕获寄存器中的值读取到value1中。当出现第二次上升沿时，发生第二次捕获，计数器CNT的值会再次被锁存到捕获寄存器CCR中，并再次进入捕获中断，在捕获中断中，把捕获寄存器的值读取到value3中，并清除捕获记录标志。利用value3和value1的差值我们就可以算出信号的周期（频率）。 2. 测量脉宽 当捕获通道TIx上出现上升沿时，发生第一次捕获，计数器CNT的值会被锁存到捕获寄存器CCR中，而且还会进入捕获中断，在中断服务程序中记录一次捕获（可以用一个标志变量来记录），并把捕获寄存器中的值读取到value1中。然后把捕获边沿改变为下降沿捕获，目的是捕获后面的下降沿。当下降沿到来的时候，发生第二次捕获，计数器CNT的值会再次被锁存到捕获寄存器CCR中，并再次进入捕获中断，在捕获中断中，把捕获寄存器的值读取到value3中，并清除捕获记录标志。然后把捕获边沿设置为上升沿捕获。 在测量脉宽过程中需要来回的切换捕获边沿的极性，如果测量的脉宽时间比较长，定时器就会发生溢出，溢出的时候会产生更新中断，我们可以在中断里面对溢出进行记录处理。 1.1.2 PWM输入模式 测量脉宽和频率还有一个更简便的方法就是使用PWM输入模式。与上面那种只使用一个捕获寄存器测量脉宽和频率的方法相比，PWM输入模式需要占用两个捕获寄存器。 图 012 输入通道和捕获通道的关系映射图 当使用PWM输入模式的时候，因为一个输入通道(TIx)会占用两个捕获通道(ICx)，所以一个定时器在使用PWM输入的时候最多只能使用两个输入通道(TIx)。 我们以输入通道TI1工作在PWM输入模式为例来讲解下具体的工作原理，其他通道以此类推即可。 PWM信号由输入通道TI1进入，因为是PWM输入模式的缘故，信号会被分为两路，一路是TI1FP1，另外一路是TI2FP2。其中一路是周期，另一路是占空比，具体哪一路信号对应周期还是占空比，得从程序上设置哪一路信号作为触发输入，作为触发输入的哪一路信号对应的就是周期，另一路就是对应占空比。作为触发输入的那一路信号还需要设置极性，是上升沿还是下降沿捕获，一旦设置好触发输入的极性，另外一路硬件就会自动配置为相反的极性捕获，无需软件配置。一句话概括就是：选定输入通道，确定触发信号，然后设置触发信号的极性即可，因为是PWM输入的缘故，另一路信号则由硬件配置，无需软件配置。 当使用PWM输入模式的时候必须将从模式控制器配置为复位模式（配置寄存器SMCR的位SMS[2:0]来实现），即当我们启动触发信号开始进行捕获的时候，同时把计数器CNT复位清零。 下面我们以一个更加具体的时序图来分析下PWM输入模式。 图 013 PWM输入模式时序 PWM信号由输入通道TI1进入，配置TI1FP1为触发信号，上升沿捕获。当上升沿的时候IC1和IC2同时捕获，计数器CNT清零，到了下降沿的时候，IC2捕获，此时计数器CNT的值被锁存到捕获寄存器CCR2中，到了下一个上升沿的时候，IC1捕获，计数器CNT的值被锁存到捕获寄存器CCR1中。其中CCR2测量的是脉宽，CCR1测量的是周期。 从软件上来说，用PWM输入模式测量脉宽和周期更容易，付出的代价是需要占用两个捕获寄存器。 1.2 输出比较应用 输出比较模式总共有8种，具体的由寄存器CCMRx的位OCxM[2:0]配置。我们这里只讲解最常用的PWM模式，其他几种模式具体的看数据手册即可。 1.2.1 PWM输出模式 PWM输出就是对外输出脉宽（即占空比）可调的方波信号，信号频率由自动重装寄存器ARR的值决定，占空比由比较寄存器CCR的值决定。 PWM模式分为两种，PWM1和PWM2，总得来说是差不多，就看你怎么用而已，具体的区别见表格 01。 表格 01 PWM1与PWM2模式的区别
下面我们以PWM1模式来讲解，以计数器CNT计数的方向不同还分为边沿对齐模式和中心对齐模式。PWM信号主要都是用来控制电机，一般的电机控制用的都是边沿对齐模式，FOC电机一般用中心对齐模式。我们这里只分析这两种模式在信号感官上（即信号波形）的区别，具体在电机控制中的区别不做讨论，到了你真正需要使用的时候就会知道了。 1. PWM边沿对齐模式 在递增计数模式下，计数器从 0 计数到自动重载值（ TIMx_ARR 寄存器的内容），然后重新 从 0 开始计数并生成计数器上溢事件 图 014 PWM1模式的边沿对齐波形 在边沿对齐模式下，计数器CNT只工作在一种模式，递增或者递减模式。这里我们以CNT工作在递增模式为例，在中，ARR=8，CCR=4，CNT从0开始计数，当CNT |
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