ARM内核单片机高分辨率定时器(HRTIM）原理和用法_hrtim1 spwm原理

1. 什么是HRTIM？

HRTIM代表高分辨率定时器。HRTIM是一种高精度定时器，能够生成复杂的波形，如PWM（脉宽调制）、相移PWM等。它由六个16位的上计数器和一个具有非常精细时间分辨率的控制器定时器组成（在STM32G4系列上为184皮秒）。它们可以独立使用或同步使用。HRTIM的应用非常多样：从数字电源转换（数字SMPS、太阳能转换器、电机控制）到一般用途的应用。

1.1 计数器操作模式

上计数器可以以三种模式运行：

连续模式（也称为自由运行模式）：当它超过在周期寄存器（HRTIM_PERxR）中设置的值时，会回滚到零。
单次可重触发模式：它在重置事件发生时开始，并在达到周期值（HRTIM_PERxR）时停止。在这种模式下，用户可以随时重置。
单次不可重触发模式：与单次可重触发模式的原理相同，但在这种模式下，如果在计数阶段结束之前发生重置事件，则会忽略这些事件。

1.2 框图概览

正如我们在下图中看到的，HRTIM具有模块化架构。让我们一一查看每个模块：

块1（Timing units）：包含六个16位上计数器，这些计数器具有可编程溢出功能、两个捕获寄存器和四个比较寄存器。当计数器值等于比较值（HRTIM_CMP1xR）时，可以生成比较事件。

块2（Set/Reset Crossbar）：允许输出对不仅由相关的定时单元控制，还可以由外部事件和其他定时器控制。

块3（Output stage）：管理一对输出，并应用任何类型的逻辑（极性、安全状态、异步故障保护等）。

块4（Input block）：包含10个外部事件和五个故障信号（用于保护电源级并关闭PWM输出）。

块5（Interface part）：将高精度定时器（HRTimer）与其他定时器、DMA、ADC和DAC通过STM32的内部连接进行链接。

2. HRTIM实现高分辨率的机制

HRTIM（高分辨率定时器）在ARM内核MCU上能够实现皮秒（ps）级时间分辨率，主要得益于其高精度的时钟源和精细的定时器配置。以下是实现这一高分辨率的关键因素：

• 高稳定性时钟源：HRTIM可以使用稳定的内部或外部时钟源，这些时钟源提供了高精度的基础时间单位。

• 精细的时钟分频：HRTIM包含可编程的时钟分频器，允许对时钟源进行细分，从而实现更小的时间间隔。

• 高分辨率定时器单元：HRTIM定时器单元设计用于捕捉和计算非常短的时间周期，这得益于其高精度计数器和事件采样能力。

• 先进的配置选项：HRTIM提供了多种定时器模式和配置选项，包括死区时间插入、延迟保护、故障管理等，这些都可以精确控制事件的时序。

• 微调控制：HRTIM允许对定时器的比较值、捕获值和触发条件等进行微调，以实现精确的时序控制。

• 同步机制：HRTIM支持内部和外部同步，允许多个定时器之间或与其他定时器进行同步，以实现精确的相位对齐。

• DMA和中断支持：HRTIM支持直接内存访问（DMA）和中断，可以在不占用CPU资源的情况下实现精确的事件响应。

• 固件支持：通过HAL库或LL（低层）API，STM32提供了丰富的软件支持，使得开发者能够充分利用HRTIM的高分辨率特性。

这些特性结合起来，使得HRTIM在STM32G4系列上能够实现184皮秒级别的时间分辨率，适用于需要精确时序控制的应用，如电机控制、电力转换、精密测量等。

3.高分辨率时钟使用示例

创建一个基于32位ARM单片机的HRTIM使用示例代码，我们将使用HAL库来初始化HRTIM，并配置一个简单的PWM输出。以下是一个基础的示例，用于arm32位微控制器。请根据实际的微控制器型号和需求调整时钟配置、GPIO初始化和其他参数。

```c
#include "arm_MCU.h" //以你选择的单片机硬件型号为基础

// 假设使用HRTIM1和Timer A
HRTIM_HandleTypeDef hhrtim1;

void SystemClock_Config(void);
void MX_HRTIM1_Init(void);
void Error_Handler(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  
  // 初始化HRTIM
  MX_HRTIM1_Init();
  
  // 开启HRTIM Timer A的PWM输出
  if (HAL_HRTIM_WaveformOutputStart(&hhrtim1, HRTIM_OUTPUT_TA1 | HRTIM_OUTPUT_TA2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  
  // 主循环
  while (1)
  {
    // 此处可以放置其他用户代码
    HAL_Delay(1000);
  }
}

void SystemClock_Config(void)
{
  // ... 系统时钟配置代码 ...
}

void MX_HRTIM1_Init(void)
{
  hhrtim1.Instance = HRTIM1;
  hhrtim1.Init.HRTIMInterruptResquests = HRTIM_IT_NONE;
  hhrtim1.Init.SyncOptions = HRTIM_SYNCOPTION_NONE;
  
  // 初始化HRTIM
  if (HAL_HRTIM_Init(&hhrtim1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  
  // 配置HRTIM定时器A的时基
  if (HAL_HRTIM_TimeBaseConfig(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_A, &sTimeBaseCfg) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  
  // 配置HRTIM定时器A的PWM
  if (HAL_HRTIM_SimplePWMChannelConfig(&hhrtim1, HRTIM_TIMERINDEX_TIMER_A, &sPWMCfg) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  
  // ... 其他配置代码 ...
}

void Error_Handler(void)
{
  // 用户可以在这里实现错误处理代码
  while(1)
  {
    // 错误指示，例如闪烁LED
  }
}

// 注意：sTimeBaseCfg 和 sPWMCfg 需要根据实际需求进行配置
HRTIM_TimeBaseCfgTypeDef sTimeBaseCfg = {0};
HRTIM_SimplePWMCfgTypeDef sPWMCfg = {0};

// 注意：以下函数需要根据实际硬件配置进行实现
// void GPIO_Init(void) {}
// void HAL_HRTIM_MspInit(HRTIM_HandleTypeDef *hhrtim) {}
```

在上述代码中，我们首先初始化了mcu库，并调用了系统时钟配置函数`SystemClock_Config`。然后，我们使用`MX_HRTIM1_Init`函数来初始化HRTIM1，并配置了Timer A的PWM输出。在主循环中，我们使用`HAL_Delay`函数创建了一个简单的延时。

请注意，上述代码是一个框架，其中的一些配置（如`sTimeBaseCfg`和`sPWMCfg`的结构体初始化）和硬件相关的初始化（如GPIO初始化和HRTIM MSP初始化）需要根据具体的应用需求和硬件设计来完成。

在实际应用中，您还需要配置PWM的比较值、分频器、死区时间等参数，并实现错误处理函数`Error_Handler`以及可能的硬件初始化函数。此外，MCU硬件库函数的具体名称可能会根据MCU系列和硬件库的版本有所不同，因此请参考您使用的微控制器的参考手册和硬件库文档。

4. 高分辨率时钟测试

在设计高精度时间控制系统时，测试和验证HRTIM（高分辨率定时器）配置是否满足精度要求是一个关键步骤。以下是一些测试和验证的方法：

1. 仿真测试：在实际硬件实现之前，使用仿真工具（如STM32CubeMX附带的模拟功能或Proteus等第三方仿真软件）来模拟HRTIM的配置和运行情况。

2. 硬件测试环境搭建：准备一个测试环境，包括STM32开发板、示波器、逻辑分析仪、信号发生器等必要的测试设备。

3. 基本功能测试：首先验证HRTIM的基本功能，如定时器的启动、停止、重置以及计数器的递增和递减。

4. 时间分辨率测试：使用高精度的时钟源或示波器测量HRTIM的最小时间分辨率，确保它符合设计规格。

5. PWM输出测试：如果系统使用HRTIM产生PWM波形，通过示波器观察PWM波形的占空比和频率是否符合预期。

6. 死区时间测试：对于互补PWM输出，验证死区时间是否正确设置，以确保输出不会同时导通。

7. 同步模式测试：如果HRTIM配置为同步模式，测试主从定时器之间的同步信号是否按预期工作。

8. 中断和DMA测试：如果使用中断或DMA，验证它们的触发条件和处理逻辑是否正确。

9. 故障和保护测试：模拟故障情况，验证HRTIM的保护机制是否按预期响应。

10. 长时间稳定性测试：让HRTIM运行一段时间，监测其性能是否稳定，是否存在累积误差。

11. 温度和电源电压变化测试：测试在不同的环境温度和电源电压下HRTIM的性能，以验证其对环境变化的适应性。

12. 负载变化测试：模拟不同的系统负载情况，验证HRTIM在不同负载下的响应和稳定性。

13. 软件性能测试：评估与HRTIM交互的软件驱动的性能，包括初始化代码、中断服务例程和DMA配置。

14. 自动化测试脚本：开发自动化测试脚本来执行重复性测试，以减少人为误差并提高测试效率。

15. 对比分析：如果有现成的解决方案或产品，可以将HRTIM的测试结果与它们进行对比分析。

16. 文档记录：详细记录测试过程、测试结果和任何异常情况，为后续的分析和改进提供依据。

17. 专业软件分析：使用专业的分析软件（如MATLAB、LabVIEW等）来处理测试数据，进行深入的数据分析和性能评估。

通过上述方法，可以全面地测试和验证HRTIM的配置是否满足高精度时间控制的要求。在测试过程中，根据测试结果调整HRTIM的配置参数，直到系统性能达到设计规格。