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STM32中断之TIM定时器详解

作者：繁依Fanyi0 | 2024-05-01 21:26:14

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STM32中断之TIM定时器详解

系列文章目录

STM32单片机系列专栏

C语言术语和结构总结专栏

文章目录

1. TIM简述

2. 定时器类型

2.1 基本定时器

2.2 通用定时器

2.3 高级定时器

3. 定时中断

4. 代码示例1

5. 代码示例2

1. TIM简述

  • 定时器的基本功能：定时器可以在预定的时间间隔内产生周期性的中断。例如，定时器可以被设置为每1ms产生一个中断信号，这常用于创建周期性的服务例程，如操作系统的时钟滴答。

  • 16位计数器：STM32的定时器通常包含一个16位的计数器，意味着它能够计数从0到65535（2^16 - 1）。当计数器从0计数到预设值时，可生成中断或其他事件。

  • 最大计数值：在72MHz的时钟频率下，如果定时器的预分频器（Prescaler）设为72-1（即每72个时钟周期计数一次），则计数器每计数到72000就相当于过去了1秒。这样就可以用来测量时间，或创建延时等。并且最大定时为59.65s。

  • 时钟选择：定时器可以从不同的时钟源中选择，例如内部的主时钟或外部时钟源。

  • 多种工作模式：定时器可以在多种模式下工作，包括简单的定时模式（如计数溢出时产生中断），PWM产生模式（用于调整电压输出，控制电机速度等），输入捕获模式（测量外部事件的时间间隔，如信号的频率）等。

  • 高级控制功能：定时器还可以配置为触发ADC（模数转换器）的启动，或与其他定时器同步等。

2. 定时器类型

类型编号总线功能
高级定时器TIM1、TIM8APB2这类定时器拥有全部的功能，例如高级PWM控制，还支持三相电机的正反变换，复杂的同步控制，以及与其他高级功能的集成，如直接数字控制转换（DCC）。并且额外具有重复计数器、死区生成、互补输出、刹车输入等功能。
通用定时器TIM2、TIM3、TIM4、TIM5APB1拥有基本定时器的全部功能，并且额外具有内外时钟源选择、输入捕获、输出比较、编码器接口、主从触发模式等功能。
基本定时器TIM6、TIM7APB1拥有定时中断、主从触发DAC的功能

对于STM32F103C8T6，拥有的定时器资源为：TIM1、TIM2、TIM3、TIM4，所以在使用任何外设时，要先查明这个芯片有没有这个功能。

2.1 基本定时器

首先下面有三个最重要的寄存器：预分频器，计数器和自动重装载寄存器，这部分是最基本的计数计时电路，也叫做时基单元。预分频器之前连接的是基准计数时钟的输入，基本定时器只能选择内部时钟，所以也就相当于连接的是输入端，也就是内部时钟CK_INT。

预分频器

这里的频率值一般都是系统的主频72MHz，首先预分频器对72MHz的计数时钟进行预分频，就是对输入的基准频率进行一个分频的操作比如这里写0就代表不分频或1分频，这时输出频率等于输入频率 = 72MHz。写1就代表分频（2分频），输出频率=输入频率/2 = 36MHz。如果写2就代表3分频，也就是除以3。所以实际的分频系数比预分频器的值大1，预分频器是16位的，所以最大值为65535，最大分频也就是65536。

计数器

计数器可以对预分频后的计数时钟进行计数，计数时钟每次有一个上升沿，计数器就加1，计数器也是16位的，所以值的范围是0 - 65535。如果加到65535以后，再加一就会回到零重新开始。当计数器的值增加到目标值时，产生中断，就代表完成了定时的任务。

自动重装载寄存器

因为计数器需要一个目标值，所以还需要一个存储目标值的寄存器。这个寄存器也是16位的，会存入技术目标。当计数器的值等于自动重装值时，就代表计时时间到了。这时就会产生中断信号，并重新计数。

UI(Update Interrupt)

这个向上的折线箭头，代表会产生中断信号，像刚才这种计数值等于自动重装值所产生的中断，叫做更新中断，之后会通往NVIC，再配置好NVIC的定时器通道，这时定时器的更新中断就可以得到CPU的响应了。

U

向下的箭头代表会产生一个事件，叫做更新事件，更新事件不会触发中断，但可以触发内部其他电路的工作。

2.2 通用定时器

首先中间部分的结构和基本计时器一样， 这里不同的是，通用计时器和高级计时器不仅支持向上计数模式，还支持向下计数模式和中央对齐计数模式。向下计数模式就是从重装值开始，向下自减，减到0以后，回到重装值同时申请中断，依次循环。中央对齐计数模式就是从0开始，先向上自增，计数到重装值，申请中断，然后再向下自减，减到0时再次申请中断，然后依次循环。

在通用定时器中，时钟源不仅可以选择内部的72MHz时钟，还可以选择外部时钟。第一个外部时钟是TIMx_ETR引脚的外部时钟，叫做外部时钟模式2，其中ETR引脚的位置在C8T6中对应PA0引脚。除了ETR，TRGI也可以当作外部时钟，这个叫做外部时钟模式1。

对于下面的部分，右边的是输出比较电路，一共四个通道CH1 - CH4，用于输出PWM波形驱动电机。左边是输入捕获电路，也是四个通道CH1 - CH4，用于测量输入方波的频率。中间的寄存器是输入捕获和输出比较电路共用的，因为输入和输出不能同时使用。

2.3 高级定时器

对比通用定时器，主要不同的是右边申请中断的地方，增加了重复次数计数器，这个可以实现每隔几个计数周期才会发生一次更新事件和更新中断。

下面还有对于输出比较模块的升级，DTG是死区生成电路，右边的输出变成了两个互补的输出，可以输出一对互补的PWM波形，这时为了驱动三相无刷电机的。

最下面的刹车输入，这时一个保护机制，如果外部引脚BKIN产生了刹车信号，或者内部时钟失效产生故障，控制电路会自动切断电机的输出。

3. 定时中断

预分频器时序 

这里看一个时序图，当预分频器的参数从1改为2时，特别注意预分频控制寄存器，它的作用是即使参数改变了，但是此时如果计数器只执行到一半， 这个缓冲寄存器可以保证参数的变化不会立刻生效，而是等到本次计数周期完成，产生了更新事件，改变后的参数才会起作用。

计数器计数频率：CK_CNT = CK_PSC / (PSC + 1)

计数器时序图

计数器溢出频率：CK_CNT_OV = CK_CNT / (ARR + 1) = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)

计数器无预装时序

计数器有预装时序

对于计数器无预装时序和计数器有预装时序，区别在于引入了影子寄存器，目的是为了同步，让值的变化和更新事件同步发生，防止在运行途中更改造成错误。例如在这里如果不使用影子寄存器，F5改成36以后立即生效，但此时计数器的数值已经到了F1, 代表已经超过36，所以F1只能一直增加直到FFFF，回到0以后再重新加到36。

4. 代码示例1

要实现定时器定时中断，要使用的库函数文件为：stm32f10x_tim.h，在这里可以找到定时器TIM需要使用到的函数

第一步：开启RCC时钟，这时定时器的基准时钟和外设的工作时钟就会同时打开。

第二步：选择时基单元的时钟源，对于定时中断，选择内部时钟源。

第三步：配置时基单元，也就是预分频器、计数器和自动重装载器。

第四步：配置输出中断控制，允许更新中断输出到NVIC。

第五步：配置NVIC，在NVIC中打开定时器中断的通道，并分配优先级。

第六步：运行控制，在整个模块配置完成后，还需要使能一下计数器，这样计数器才能开始计数。

首先是Timer.c文件，下面包含代码和详细注释：

  1. #include "stm32f10x.h"
  2.  
  3. //定时中断初始化
  4. void Timer_Init(void)
  5. {
  6. 	//开启时钟
  7. 	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);			//开启TIM2的时钟
  8. 	
  9. 	//配置时钟源
  10. 	TIM_InternalClockConfig(TIM2);		//选择TIM2为内部时钟，若不调用此函数，TIM默认也为内部时钟
  11. 	
  12. 	//时基单元初始化
  13. 	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;				//定义结构体变量
  14. 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;		//时钟分频，选择不分频，此参数用于配置滤波器时钟，不影响时基单元功能
  15. 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;	//计数器模式，选择向上计数
  16. 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 10000 - 1;				//计数周期，即ARR的值
  17. 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 7200 - 1;				//预分频器，即PSC的值
  18. 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;			//重复计数器，高级定时器才会用到
  19. 	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);				//将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit，配置TIM2的时基单元	
  20.  
  21. 	//中断输出配置
  22. 	TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);						//清除定时器更新标志位
  23. 																//TIM_TimeBaseInit函数末尾，手动产生了更新事件
  24. 																//若不清除此标志位，则开启中断后，会立刻进入一次中断
  25. 																//如果不介意此问题，则不清除此标志位也可
  26. 	
  27. 	TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);					//开启TIM2的更新中断
  28. 	
  29. 	//NVIC中断分组
  30. 	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);				//配置NVIC为分组2
  31. 																//即抢占优先级范围：0~3，响应优先级范围：0~3
  32. 																//此分组配置在整个工程中仅需调用一次
  33. 																//若有多个中断，可以把此代码放在main函数内，while循环之前
  34. 																//若调用多次配置分组的代码，则后执行的配置会覆盖先执行的配置
  35. 	
  36. 	//NVIC配置
  37. 	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;						//定义结构体变量
  38. 	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;				//选择配置NVIC的TIM2线
  39. 	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;				//指定NVIC线路使能
  40. 	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;	//指定NVIC线路的抢占优先级为2
  41. 	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;			//指定NVIC线路的响应优先级为1
  42. 	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);								//将结构体变量交给NVIC_Init，配置NVIC外设
  43. 	
  44. 	//TIM使能
  45. 	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);			//使能TIM2，定时器开始运行
  46. }
  47.

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);：

  • 使能TIM2定时器的时钟，用来开启或关闭高级外设时钟。RCC_APB1Periph_TIM2 是一个宏，指的是APB1总线上的TIM2时钟。ENABLE 宏是一个值，表示开启时钟。

TIM_InternalClockConfig(TIM2);：

  • 配置TIM2的时钟源为内部时钟。这个函数设置定时器的时钟源，确保定时器能够正确计数。

定义和初始化一个 TIM_TimeBaseInitTypeDef 类型的结构体变量 TIM_TimeBaseInitStructure，用于配置定时器的时基单元：

  • TIM_ClockDivision：时钟分频因子，这里设置为 TIM_CKD_DIV1，表示不分频。
  • TIM_CounterMode：设置为 TIM_CounterMode_Up，表示定时器以向上计数模式工作。
  • TIM_Period：设置计数器的自动重载值为9999，由于计数是从0开始的，因此实际的最大计数值是10000。
  • TIM_Prescaler：设置预分频值为7199，预分频器的值决定了时钟频率被减慢的程度。
  • TIM_RepetitionCounter：这个成员在基本定时器中不用，通常在更高级的定时器如TIM1中使用。

TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);：

  • 使用前面定义的结构体变量初始化TIM2的时基单元。

TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);：

  • 清除TIM2的更新中断标志位。这是为了避免在配置过程中可能产生的任何更新事件导致中断。

TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);：

  • 开启TIM2的更新中断。这使得每次定时器溢出时，中断请求会被发送到NVIC。

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); 和 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);：

  • 这两个函数一起配置中断控制器NVIC。首先设置NVIC的优先级分组，这里使用分组2。然后，初始化NVIC来配置定时器TIM2的中断通道，抢占优先级和响应优先级。

TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);：

  • 启动定时器TIM2。之后定时器开始根据配置的参数运行，每当计数器的值达到预设的重载值时，中断请求会被触发。

接着是Timer.h文件，这部分引用声明一下即可。

  1. #ifndef __TIMER_H
  2. #define __TIMER_H
  3.  
  4. void Timer_Init(void);
  5.  
  6. #endif

最后是主函数main.c ：

  1. #include "stm32f10x.h" 
  2. #include "Delay.h"
  3. #include "OLED.h"
  4. #include "Timer.h"
  5.  
  6. uint16_t Num;			//定义在定时器中断里自增的变量
  7.  
  8. int main(void)
  9. {
  10. 	//模块初始化
  11. 	OLED_Init();		//OLED初始化
  12. 	Timer_Init();		//定时中断初始化
  13. 	
  14. 	//显示静态字符串
  15. 	OLED_ShowString(1, 1, "Num:");			//1行1列显示字符串Num:
  16. 	
  17. 	while (1)
  18. 	{
  19. 		OLED_ShowNum(1, 5, Num, 5);			//不断刷新显示Num变量
  20. 	}
  21. }
  22.  
  23. //TIM2中断函数
  24. void TIM2_IRQHandler(void)
  25. {
  26. 	if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)		//判断是否是TIM2的更新事件触发的中断
  27. 	{
  28. 		Num ++;												//Num变量自增，用于测试定时中断
  29. 		TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);			//清除TIM2更新事件的中断标志位
  30. 															//中断标志位必须清除
  31. 															//否则中断将连续不断地触发，导致主程序卡死
  32. 	}
  33. }

5. 代码示例2

定时器外部时钟，刚才是代码示例使用的是内部时钟，这里使用外部时钟，通过一个光电传感器来实现计数功能。

首先是Timer.c 代码：

  1. #include "stm32f10x.h" 
  2.  
  3. //定时中断初始化
  4. void Timer_Init(void)
  5. {
  6. 	//开启时钟
  7. 	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);			//开启TIM2的时钟
  8. 	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);			//开启GPIOA的时钟
  9. 	
  10. 	//GPIO初始化
  11. 	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  12. 	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
  13. 	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
  14. 	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  15. 	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);						//将PA0引脚初始化为上拉输入
  16. 	
  17. 	//外部时钟配置
  18. 	TIM_ETRClockMode2Config(TIM2, TIM_ExtTRGPSC_OFF, TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted, 0x0F);
  19. 																//选择外部时钟模式2，时钟从TIM_ETR引脚输入
  20. 																//注意TIM2的ETR引脚固定为PA0，无法随意更改
  21. 																//最后一个滤波器参数加到最大0x0F，可滤除时钟信号抖动
  22. 	
  23. 	//时基单元初始化
  24. 	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;				//定义结构体变量
  25. 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;		//时钟分频，选择不分频，此参数用于配置滤波器时钟，不影响时基单元功能
  26. 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;	//计数器模式，选择向上计数
  27. 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 10 - 1;					//计数周期，即ARR的值
  28. 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 1 - 1;				//预分频器，即PSC的值
  29. 	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;			//重复计数器，高级定时器才会用到
  30. 	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);				//将结构体变量交给TIM_TimeBaseInit，配置TIM2的时基单元	
  31. 	
  32. 	//中断输出配置
  33. 	TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);						//清除定时器更新标志位
  34. 																//TIM_TimeBaseInit函数末尾，手动产生了更新事件
  35. 																//若不清除此标志位，则开启中断后，会立刻进入一次中断
  36. 																//如果不介意此问题，则不清除此标志位也可
  37. 																
  38. 	TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);					//开启TIM2的更新中断
  39.  
  40. 	//NVIC中断分组
  41. 	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);				//配置NVIC为分组2
  42. 																//即抢占优先级范围：0~3，响应优先级范围：0~3
  43. 																//此分组配置在整个工程中仅需调用一次
  44. 																//若有多个中断，可以把此代码放在main函数内，while循环之前
  45. 																//若调用多次配置分组的代码，则后执行的配置会覆盖先执行的配置
  46. 	
  47. 	//NVIC配置
  48. 	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;						//定义结构体变量
  49. 	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;				//选择配置NVIC的TIM2线
  50. 	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;				//指定NVIC线路使能
  51. 	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;	//指定NVIC线路的抢占优先级为2
  52. 	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;			//指定NVIC线路的响应优先级为1
  53. 	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);								//将结构体变量交给NVIC_Init，配置NVIC外设
  54. 	
  55. 	//TIM使能
  56. 	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);			//使能TIM2，定时器开始运行
  57. }
  58.  
  59. //返回定时器CNT的值
  60. uint16_t Timer_GetCounter(void)
  61. {
  62. 	return TIM_GetCounter(TIM2);	//返回定时器TIM2的CNT
  63. }
  64.  
  65.

时钟源配置：

  • 通过调用 RCC_APB1PeriphClockCmd 使能了TIM2的时钟。
  • 调用 RCC_APB2PeriphClockCmd 使能了GPIOA的时钟，因为外部时钟源信号将通过GPIOA端口输入。

GPIO初始化：

  • 定义一个 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体变量 GPIO_InitStructure，用于设置GPIO。
  • 设置GPIOA的0号引脚（GPIO_Pin_0）为上拉输入模式（GPIO_Mode_IPU）。
  • 设置引脚速度为50MHz。

外部时钟配置：

  • TIM_ETRClockMode2Config 函数配置定时器以外部时钟模式2工作，从ETR引脚（这里是GPIOA的0号引脚，即PA0）接收外部时钟信号。
  • 参数 TIM_ExtTRGPSC_OFF 关闭外部触发预分频。
  • 参数 TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted 设置外部触发极性为非反转。
  • 参数 0x0F 设置滤波器的最大值，这有助于消除信号抖动。

时基单元初始化：

  • 定义 TIM_TimeBaseInitTypeDef 类型的结构体变量 TIM_TimeBaseInitStructure，用于配置时基单元。
  • 设置 TIM_ClockDivision 为不分频。
  • 设置 TIM_CounterMode 为向上计数模式。
  • 设置 TIM_Period 为9，这是计数器的最大值（自动重载值）。
  • 设置 TIM_Prescaler 为0，这里不再需要预分频因为外部时钟源已经是所需的频率。
  • 将这些配置通过 TIM_TimeBaseInit 函数应用到TIM2。

中断输出配置：

  • 调用 TIM_ClearFlag 清除更新标志位。
  • 调用 TIM_ITConfig 开启TIM2的更新中断。

NVIC中断分组和NVIC配置：

  • 使用 NVIC_PriorityGroupConfig 设置NVIC优先级分组。
  • 定义 NVIC_InitTypeDef 类型的结构体变量 NVIC_InitStructure，用于设置NVIC。
  • 配置NVIC的优先级和使能TIM2中断通道。

TIM使能：

  • 调用 TIM_Cmd 使能TIM2，这样定时器开始根据配置的参数工作，准备接收外部时钟信号作为计数脉冲。

Timer_GetCounter 函数：

  • 这个函数返回TIM2的当前计数值（CNT寄存器的内容），是一个16位的值。

接着是Timer.h 代码，同样只需要声明一下。

  1. #ifndef __TIMER_H
  2. #define __TIMER_H
  3.  
  4. void Timer_Init(void);
  5. uint16_t Timer_GetCounter(void);
  6.  
  7. #endif

最后是主函数main.c ：

  1. #include "stm32f10x.h" 
  2. #include "Delay.h"
  3. #include "OLED.h"
  4. #include "Timer.h"
  5.  
  6. uint16_t Num;			//定义在定时器中断里自增的变量
  7.  
  8. int main(void)
  9. {
  10. 	//模块初始化
  11. 	OLED_Init();		//OLED初始化
  12. 	Timer_Init();		//定时中断初始化
  13. 	
  14. 	//显示静态字符串
  15. 	OLED_ShowString(1, 1, "Num:");			//1行1列显示字符串Num:
  16. 	OLED_ShowString(2, 1, "CNT:");			//2行1列显示字符串CNT:
  17. 	
  18. 	while (1)
  19. 	{
  20. 		OLED_ShowNum(1, 5, Num, 5);			//不断刷新显示Num变量
  21. 		OLED_ShowNum(2, 5, Timer_GetCounter(), 5);		//不断刷新显示CNT的值
  22. 	}
  23. }
  24.  
  25. //TIM2中断函数
  26. void TIM2_IRQHandler(void)
  27. {
  28. 	if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)		//判断是否是TIM2的更新事件触发的中断
  29. 	{
  30. 		Num ++;												//Num变量自增，用于测试定时中断
  31. 		TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);			//清除TIM2更新事件的中断标志位
  32. 															//中断标志位必须清除
  33. 															//否则中断将连续不断地触发，导致主程序卡死
  34. 	}
  35. }

完整代码工程文件：

基于STM32的定时器内部(外部)时钟中断代码

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