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1?定時(shí)器綜述

1.1?定時(shí)器簡(jiǎn)介

TIM（Timer）定時(shí)器，最基本功能就是定時(shí)觸發(fā)中斷：對(duì)輸入的時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，并在計(jì)數(shù)值達(dá)到設(shè)定值時(shí)觸發(fā)中斷。由此可以得出定時(shí)器本身就是一個(gè)計(jì)數(shù)器，而當(dāng)輸入信號(hào)是一個(gè)準(zhǔn)確可靠的時(shí)鐘的時(shí)候，而當(dāng)它對(duì)這個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)的時(shí)候，就相當(dāng)于計(jì)時(shí)。

STM32單片機(jī)中的定時(shí)器有由16位計(jì)數(shù)器、預(yù)分頻器、自動(dòng)重裝寄存器的時(shí)基單元，在72MHz（在STM32單片機(jī)中，定時(shí)器的基準(zhǔn)時(shí)鐘是72MHz）計(jì)數(shù)時(shí)鐘下可以實(shí)現(xiàn)最大59.65s（計(jì)算公式如下：T=1/CK_CNT_OV = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)）的定時(shí)，同時(shí)定時(shí)器與定時(shí)器之間支持級(jí)聯(lián)，兩個(gè)定時(shí)器級(jí)聯(lián)就可以有8000多年的計(jì)時(shí)。

STM32單片機(jī)中的定時(shí)器不僅具備基本的定時(shí)中斷功能，而且還包含內(nèi)外時(shí)鐘源選擇、輸入捕獲、輸出比較、編碼器接口、主從觸發(fā)模式等多種功能。而定時(shí)器也根據(jù)復(fù)雜度與應(yīng)用場(chǎng)景的不同分為以下三種類(lèi)型：

以上定時(shí)器的編號(hào)是STM32中所有系列的集合并不是所有型號(hào)都有以上八種定時(shí)器，例如本開(kāi)發(fā)板STM32F103C8T6定時(shí)器資源：TIM1、TIM2、TIM3、TIM4。所以定時(shí)器的具體資源要根據(jù)自身開(kāi)發(fā)板的數(shù)據(jù)手冊(cè)來(lái)看。并且從上表可得定時(shí)器的功能是向下兼容的，高一級(jí)的定時(shí)器擁有低一級(jí)定時(shí)器的全部功能。

?

1.2? 定時(shí)器的結(jié)構(gòu)

1.2.1??? 定時(shí)中斷結(jié)構(gòu)

?定時(shí)中斷時(shí)定時(shí)器最基本的功能，為了講解清楚，用基本定時(shí)器的結(jié)構(gòu)圖來(lái)講解（如下圖所示）

首先來(lái)了解接到時(shí)基單元是由計(jì)數(shù)器、預(yù)分頻器、自動(dòng)重裝寄存器這三個(gè)寄存器組成的，而定時(shí)器產(chǎn)生中斷的過(guò)程就是通過(guò)時(shí)基單元來(lái)完成的。首先時(shí)基單元的輸入是由內(nèi)部時(shí)鐘（也由外部時(shí)鐘會(huì)在內(nèi)外時(shí)鐘選擇時(shí)講到）直接輸入的，而內(nèi)部時(shí)鐘是RCC上的TIMXCLK給的，一般都為72MHz。

內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)入時(shí)基單元之后首先接PSC預(yù)分頻器，操作這個(gè)寄存器可以對(duì)輸入的內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行預(yù)分頻，寄存器置0為不分頻，置1進(jìn)行二分頻，置2進(jìn)行三分頻。這個(gè)預(yù)分頻器是十六位寄存器（0~65535），所以最大可以進(jìn)行65536分頻。由此可以得到輸出頻率計(jì)算公式：輸出頻率=輸入頻率/n+1。而預(yù)分頻器分頻的作用就是為了得到自身需要的定時(shí)時(shí)間。

計(jì)數(shù)器：計(jì)數(shù)器是對(duì)PSC預(yù)分頻后的計(jì)數(shù)時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，（向上計(jì)數(shù)模式為例）計(jì)數(shù)時(shí)鐘每來(lái)一個(gè)上升沿計(jì)數(shù)器就加1，計(jì)數(shù)器也是一個(gè)16位的寄存器，所以計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍也是從0計(jì)到65535。如果加到65535再繼續(xù)加的話就會(huì)回到0重新往上加。而當(dāng)計(jì)數(shù)器的值達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)的值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生中斷，完成定時(shí)中斷的任務(wù)。

自動(dòng)重裝寄存器：這個(gè)寄存器就是用來(lái)存儲(chǔ)產(chǎn)生中斷的目標(biāo)值的，也是十六位寄存器，存的是寫(xiě)入的計(jì)數(shù)目標(biāo)（固定值），當(dāng)計(jì)數(shù)器加到這一固定值時(shí)，就說(shuō)明計(jì)數(shù)達(dá)到目標(biāo)值，會(huì)給一個(gè)中斷標(biāo)志同時(shí)會(huì)清零計(jì)數(shù)器的值。如果是產(chǎn)生一個(gè)中斷，那么就會(huì)傳向NVIC，配置好NVIC后NVIC傳給CPU這樣定時(shí)器的更新中斷就會(huì)得到CPU的響應(yīng)。如果是更新事件就是會(huì)產(chǎn)生一個(gè)事件同時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生中斷。

了解完以上定時(shí)中斷的工作模式來(lái)看一下部分寄存器工作時(shí)的時(shí)序圖：

預(yù)分頻工作的時(shí)序圖：

上圖為預(yù)分頻器的參數(shù)從1變成2時(shí)的時(shí)序圖，CK_PSC 為預(yù)分頻器的輸入時(shí)鐘，CNT_EN為計(jì)數(shù)器的使能，高電平時(shí)計(jì)數(shù)器正常運(yùn)行，低電平時(shí)計(jì)數(shù)器停止運(yùn)行。CK_CNT計(jì)數(shù)器時(shí)鐘是預(yù)分頻器的輸出時(shí)鐘也是計(jì)數(shù)器的輸入時(shí)鐘，這里最主要講的就是預(yù)分頻器的控制寄存器與緩沖寄存器，由時(shí)序圖可以看出當(dāng)預(yù)分頻控制器從0變成1時(shí)其他時(shí)序并未發(fā)生改變，只有當(dāng)預(yù)分頻的緩沖控制器改變后其他時(shí)序圖才開(kāi)始改變，這樣是為了讓一段計(jì)數(shù)周期的前半周期與后半周期的計(jì)數(shù)頻率相同，所以預(yù)分頻緩沖器是真正控制分頻的寄存器，而預(yù)分頻控制寄存器是來(lái)操作緩沖器的一個(gè)寄存器。

其他寄存器中也有類(lèi)似這樣的結(jié)構(gòu)，大家可以自行去看手冊(cè)中的內(nèi)容來(lái)學(xué)習(xí)。

再補(bǔ)充一個(gè)關(guān)于計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)模式的知識(shí)點(diǎn)：

向上計(jì)數(shù)模式：在向上計(jì)數(shù)模式中，計(jì)數(shù)器從0計(jì)數(shù)到自動(dòng)加載值(TIMx_ARR計(jì)數(shù)器的內(nèi)容)，然后重新從0開(kāi)始 計(jì)數(shù)并且產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器溢出事件。

向下計(jì)數(shù)模式：在向下模式中，計(jì)數(shù)器從自動(dòng)裝入的值(TIMx_ARR計(jì)數(shù)器的值)開(kāi)始向下計(jì)數(shù)到0，然后從自動(dòng) 裝入的值重新開(kāi)始并且產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器向下溢出事件。

中央對(duì)齊模式：計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始計(jì)數(shù)到自動(dòng)加載的值(TIMx_ARR寄存器)?1，產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器 溢出事件，然后向下計(jì)數(shù)到1并且產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)器下溢事件；然后再?gòu)?開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。 在這個(gè)模式，不能寫(xiě)入TIMx_CR1中的DIR方向位。它由硬件更新并指示當(dāng)前的計(jì)數(shù)方向。

1.2.2??? 定時(shí)器時(shí)鐘的選擇

對(duì)于內(nèi)部時(shí)鐘的選擇和上述定時(shí)器中斷基本一致就不再詳解，主要來(lái)看如何對(duì)外部時(shí)鐘進(jìn)行選擇，而外部時(shí)鐘定時(shí)器一共有兩種模式：外部時(shí)鐘源模式1和外部時(shí)鐘源模式2 。

外部時(shí)鐘源模式2：

放大的結(jié)構(gòu)圖如上所示，這個(gè)外部時(shí)鐘來(lái)自TIMx_ETR上的引腳，而TIMx_ETR引腳則是復(fù)用在了PA0這個(gè)GPIO口上，我們?cè)赑A0上接一個(gè)外部方波時(shí)鐘，然后再配置內(nèi)部的極性選擇，邊沿檢測(cè)和預(yù)分頻電路，再配置輸入濾波電路，這兩個(gè)電路時(shí)為了對(duì)外部時(shí)鐘輸入方波型號(hào)進(jìn)行整形（對(duì)輸入的波形進(jìn)行濾波，，它可以避免一些高頻的毛刺信號(hào)造成誤觸發(fā) ）。然后通過(guò)ETRF進(jìn)入觸發(fā)控制器，再接著就可以選擇作為時(shí)基單元的時(shí)鐘了，如果想在ETR外部引腳提供時(shí)鐘，或者想對(duì)ETR時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，把這個(gè)定時(shí)器當(dāng)做計(jì)數(shù)器來(lái)使用的話，就可以配置這一路電路。在STM32中，這一路叫做外部時(shí)鐘模式2。

外部時(shí)鐘源模式1：

放大的結(jié)構(gòu)圖如上圖所示：結(jié)合本圖和通用定時(shí)器的結(jié)構(gòu)圖來(lái)看ETR引腳既可以接外部時(shí)鐘源模式1也可以接外部時(shí)鐘源模式2，外部時(shí)鐘模式1接ETR的作用與外部時(shí)鐘源模式2作用一致（具體如何接在外部時(shí)鐘源模式2中有寫(xiě)）。外部時(shí)鐘源模式1也可以接ITR信號(hào)這一部分信號(hào)來(lái)自于其他定時(shí)器，從通用定時(shí)器結(jié)構(gòu)圖來(lái)看，主模式輸出的TRGO可以通向其他定時(shí)器，接其他定時(shí)器時(shí)引腳接到了定時(shí)器的ITR上，ITR0~ITR3是其他四個(gè)定時(shí)器的TRGO輸出。具體連接方式如下圖表78所示：

而這一路外部時(shí)鐘模式主要來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)器的級(jí)聯(lián)的功能。

1.2.3??? 定時(shí)器輸出比較

OC（Output Compare）輸出比較,輸出比較可以通過(guò)比較CNT與CCR寄存器值的關(guān)系，來(lái)對(duì)輸出電平進(jìn)行置1、置0或翻轉(zhuǎn)的操作，用于輸出一定頻率和占空比的PWM波形，定時(shí)器的輸出比較功能是通用定時(shí)器與高級(jí)定時(shí)級(jí)特有的，每個(gè)高級(jí)定時(shí)器和通用定時(shí)器都擁有4個(gè)輸出比較通道。注意高級(jí)定時(shí)器的前3個(gè)通道額外擁有死區(qū)生成和互補(bǔ)輸出的功能，這個(gè)主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相無(wú)刷電機(jī)，先暫不做了解，我們主要來(lái)學(xué)習(xí)通用定時(shí)器的輸出比較。

定時(shí)器輸出比較是對(duì)PWM的波形進(jìn)行控制的那么我們首先來(lái)了解一下什么是PWM：PWM（Pulse Width Modulation）脈沖寬度調(diào)制，在具有慣性（改變的瞬間不會(huì)消失而會(huì)暫時(shí)存留一段時(shí)間，就像跑步一樣從跑步狀態(tài)到立定狀態(tài)不會(huì)瞬間完成。）的系統(tǒng)中，可以通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的模擬參量，常應(yīng)用于電機(jī)控速等領(lǐng)域，而PWM信號(hào)就是一個(gè)數(shù)字輸出信號(hào)，是由高低電平組成的，他是用來(lái)等效的輸出一個(gè)模擬信號(hào)。

PWM具體輸出信號(hào)如下圖所示：

PWM參數(shù)：頻率 = 1 / TS（周期的倒數(shù)），占空比 = TON / TS（高電平時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比例），分辨率 = 占空比變化步距（占空比最小變化的跨度）。

輸出比較的具體結(jié)構(gòu)

在通用定時(shí)器中是標(biāo)紅這一部分：

在輸出比較的結(jié)構(gòu)圖里面，從最左邊開(kāi)始，輸出模式控制器這里接的是CNT計(jì)數(shù)器和CCR1的捕獲/比較寄存器。當(dāng)CNT > CCR1或者CNT = CCR1時(shí),會(huì)給輸出模式控制器傳輸一個(gè)信號(hào)，輸出模式控制器就會(huì)改變它輸出OC1REF的高低電平，REF信號(hào)（相當(dāng)于一個(gè)參考信號(hào)）指的就是輸出信號(hào)的高低電平，REF信號(hào)可以輸出到主模式控制器，把REF信號(hào)映射到由TRGO上，但是更多情況下是直接給到下面這個(gè)通道，這里有一個(gè)CC1P寄存器，是一個(gè)極性的選擇，當(dāng)寄這個(gè)寄存器置0時(shí)，參考信號(hào)REF與輸出信號(hào)一致，當(dāng)寄這個(gè)寄存器置1時(shí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)非門(mén)，給參考信號(hào)反轉(zhuǎn)一下，那么參考信號(hào)REF與輸出信號(hào)相反，最后輸出的信號(hào)會(huì)在GPIO口上顯示出，例如與PWM通道1復(fù)用的GPIO口是PA0。

輸出比較有以下幾種模式：凍結(jié)?????

（1）CNT=CCR時(shí)，REF保持為原狀態(tài)

（2）匹配時(shí)置有效電平????? CNT=CCR時(shí)，REF置有效電平

（3）匹配時(shí)置無(wú)效電平????? CNT=CCR時(shí)，REF置無(wú)效電平

（4）匹配時(shí)電平翻轉(zhuǎn)?? CNT=CCR時(shí)，REF電平翻轉(zhuǎn)

（5）強(qiáng)制為無(wú)效電平?? CNT與CCR無(wú)效，REF強(qiáng)制為無(wú)效電平

（6）強(qiáng)制為有效電平?? CNT與CCR無(wú)效，REF強(qiáng)制為有效電平

（7）PWM模式1?? 向上計(jì)數(shù)：CNT<CCR時(shí)，REF置有效電平，CNT≥CCR時(shí)，REF置無(wú)效電平，向下計(jì)數(shù)：CNT>CCR時(shí)，REF置無(wú)效電平，CNT≤CCR時(shí)，REF置有效電平（通過(guò)對(duì)CCR與CNT的控制就可以來(lái)控制占空比得到不同的PWM波形。）

（8）PWM模式2?? 向上計(jì)數(shù)：CNT<CCR時(shí)，REF置無(wú)效電平，CNT≥CCR時(shí)，REF置有效電平，向下計(jì)數(shù)：CNT>CCR時(shí)，REF置有效電平，CNT≤CCR時(shí)，REF置無(wú)效電平。

以上八種模式最常使用的是PWM輸出比較的模式，其他模式一般在特定場(chǎng)景中使用。

接下來(lái)是PWM的參數(shù)計(jì)算方法，在我們對(duì)輸出比較進(jìn)行配置時(shí)會(huì)經(jīng)常用到：

PWM模式1，采用向上計(jì)數(shù)法：的圖像化黃線：ARR（周期），紅線：CNT（計(jì)數(shù)）藍(lán)線：CRR。（CNT<CCR時(shí)，REF置有效電平（高電平），CNT≥CCR時(shí)，REF置無(wú)效電平（低電平））。

PWM參數(shù)計(jì)算方法如下：

PWM頻率：???? Freq = CK_PSC（內(nèi)部時(shí)鐘預(yù)分頻） / (PSC + 1) / (ARR + 1)

PWM占空比： Duty = CCR / (ARR + 1)

PWM分辨率： Reso = 1 / (ARR + 1)

?1.2.4??? 定時(shí)器輸入捕獲

簡(jiǎn)介：

輸入捕獲，即Input Capture，英文縮寫(xiě)為IC。輸入捕獲模式下，當(dāng)通道輸入引腳出現(xiàn)指定電平跳變（可以定義為上升沿、下降沿）時(shí)，當(dāng)前CNT的值將被鎖存到CCR中（這就是“捕獲”的含義），可用于測(cè)量PWM波形的頻率、占空比、脈沖間隔、電平持續(xù)時(shí)間等參數(shù)。每個(gè)高級(jí)定時(shí)器和通用定時(shí)器都擁有4各輸入捕獲通道，且二者沒(méi)有區(qū)別。

輸入捕獲模塊可以配置為PWMI（PWM輸入）模式和主從觸發(fā)模式。PWMI模式是專(zhuān)門(mén)用來(lái)同時(shí)測(cè)量PWM波形的頻率和占空比的。主從觸發(fā)模式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率或占空比的硬件的全自動(dòng)測(cè)量，不占用軟件資源，可以減輕CPU的壓力。

?

原理圖:

輸入捕獲的通道與輸出比較的通道是一致的，所以在通用定時(shí)器里的具體結(jié)構(gòu)與輸出比較一致。

來(lái)看輸入捕獲的具體原理圖：

輸入捕獲通道的工作原理：輸入信號(hào)首先進(jìn)入輸入濾波器和邊沿檢測(cè)器（輸入濾波器與邊沿檢測(cè)器前文有提到不再贅述），當(dāng)觸發(fā)指定的電平時(shí)，邊沿檢測(cè)電路就會(huì)觸發(fā)，然后用CC1P來(lái)選擇極性，最終得到TI1FP1觸發(fā)信號(hào)（也有TI1FP2de 觸發(fā)信號(hào)連接到通道2），通過(guò)數(shù)據(jù)選擇器進(jìn)入通道1的捕獲電路，進(jìn)入捕獲單元后，通過(guò)CCIS數(shù)據(jù)選擇器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)ICPS來(lái)配置預(yù)分頻器，最后對(duì)CC1E進(jìn)行控制選擇輸出使能或失能，如果選擇使能就可以控制CCR對(duì)CNT進(jìn)行捕獲操作了。捕獲信號(hào)同時(shí)會(huì)觸發(fā)一個(gè)事件，這個(gè)事件會(huì)在狀態(tài)寄存器置標(biāo)志位，可以觸發(fā)中斷。CR對(duì)CNT進(jìn)行捕獲之后，需要對(duì)CNT進(jìn)行一次清0操作，這樣每次捕獲得到的值才是測(cè)周法（下文有講解）兩個(gè)上升沿（下降沿）之間的時(shí)間間隔。這個(gè)清0操作，就需要用到主從觸發(fā)模式來(lái)自動(dòng)完成。由輸入捕獲通道1的詳細(xì)框圖可得：經(jīng)過(guò)濾波和極性選擇的TI1FP1信號(hào)和經(jīng)過(guò)濾波的邊沿信號(hào)TI1F_ED都可以通向從模式控制器，之后便可以通過(guò)硬件電路自動(dòng)完成CNT的清0操作（用來(lái)測(cè)頻率）。

主從觸發(fā)模式：

即主模式、從模式和觸發(fā)源選擇三個(gè)功能的簡(jiǎn)稱(chēng)，主模式可以將定時(shí)器內(nèi)部的信號(hào)映射到TRGO引腳，用于觸發(fā)其他外設(shè)的操作；從模式可以接收其他外設(shè)或自身外設(shè)的一些信號(hào)，用于觸發(fā)自己的一些操作（定時(shí)器的運(yùn)行）；觸發(fā)源選擇，即選擇從模式的觸發(fā)信號(hào)源功能，也可以認(rèn)為它是從模式的一部分。（如下圖所示）

下面是通過(guò)觸發(fā)源選擇來(lái)配置主模式功能:

還有配置觸發(fā)源信號(hào)來(lái)控制從模式：

本節(jié)會(huì)用到從模式的復(fù)位功能。

PWMI的基本結(jié)構(gòu)：

首先，配置時(shí)基單元，啟動(dòng)寄存器，則CNT就會(huì)在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下不斷自增。我們使用CNT來(lái)計(jì)數(shù)，間接實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)的功能。經(jīng)過(guò)預(yù)分頻后的時(shí)鐘頻率，就是測(cè)周法的標(biāo)準(zhǔn)頻率f c 。之后，GPIO輸入一個(gè)待測(cè)的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)TI1FP1為上升沿觸發(fā)，之后數(shù)據(jù)選擇器選擇直連通道，分頻器選擇不分頻。當(dāng)TI1FP1出現(xiàn)上升沿之后，CNT的值就會(huì)被CCR1捕獲；同時(shí)觸發(fā)源選擇模塊選擇TI1FP1為觸發(fā)信號(hào)，從模式選擇復(fù)位操作。則TI1FP1信號(hào)完成兩個(gè)操作：先捕獲CNT的值到CCR1中然后清零CNT(與輸入捕獲基本一致)，將一個(gè)引腳的信號(hào)映射到兩個(gè)輸入捕獲單元，將TI1FP2配置為下降沿觸發(fā)，就可以同時(shí)測(cè)量PWM波形的頻率和占空比了，如下圖所示，占空比：

D u t y = C C R 2 /C C R 1 × 100 %

?

頻率測(cè)量有以下幾種方式:

測(cè)頻法：在閘門(mén)時(shí)間T內(nèi)，對(duì)上升沿計(jì)次，得到N，則頻率? f_x=N?/?T（測(cè)量高頻信號(hào)）。

測(cè)周法：兩個(gè)上升沿內(nèi)，以標(biāo)準(zhǔn)頻率fc計(jì)次，得到N ，則頻率 f_x=f_c?/?N（測(cè)量低頻信號(hào)）。

中界頻率：測(cè)頻法與測(cè)周法誤差相等的頻率點(diǎn)? f_m=√f_c?/?T

?

?1.2.5??? 定時(shí)器編碼器接口

簡(jiǎn)介：

Encoder Interface 編碼器接口

編碼器接口可接收增量（正交）編碼器的信號(hào)，根據(jù)編碼器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的正交信號(hào)脈沖，自動(dòng)控制CNT自增或自減（所以接到編碼器通道時(shí)不用時(shí)基單元部分來(lái)計(jì)數(shù)），從而指示編碼器的位置、旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，每個(gè)高級(jí)定時(shí)器和通用定時(shí)器都擁有1個(gè)編碼器接口（資源較少），兩個(gè)輸入引腳借用了輸入捕獲的通道1和通道2（雖然借用但用Cube配置的時(shí)候不是配置輸入捕獲，到時(shí)候會(huì)教如何具體配置，如果用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)寫(xiě)的話就是配置輸入捕獲通道）。

從原理上看，編碼器接口輸出的信號(hào)就相當(dāng)于一個(gè)帶有方向控制的外部時(shí)鐘，同時(shí)控制CNT的計(jì)數(shù)時(shí)鐘和計(jì)數(shù)方向。這時(shí)，CNT的值就代表了編碼器的位置。如果每隔一段時(shí)間將CNT的值取出并清0，我們就能得到編碼器在這一段時(shí)間內(nèi)的旋轉(zhuǎn)速度（注意，不是旋轉(zhuǎn)速率，這里的速度只與這段時(shí)間的長(zhǎng)短和始末位置有關(guān)），思路與測(cè)頻法測(cè)正交脈沖的頻率相似，只不過(guò)這里的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)方向由編碼器接口決定。

正交編碼器：

兩個(gè)輸出引腳輸出的方波信號(hào)相位相差90°的編碼器稱(chēng)為正交（增量）編碼器。一個(gè)方波信號(hào)相對(duì)于另一個(gè)方波信號(hào)超前或滯后90°代表正傳或反轉(zhuǎn)。

要測(cè)量編碼器的旋轉(zhuǎn)方向，還可以使用一個(gè)引腳輸出方波表示旋轉(zhuǎn)角度和速度，另一個(gè)引腳輸出旋轉(zhuǎn)方向：正傳輸出高電平，反轉(zhuǎn)輸出低電平。但相較于這一種方案，使用正交編碼器的優(yōu)勢(shì)在于：正交信號(hào)精度更高。正交信號(hào)的A、B相都可以計(jì)次，且相位相差90°，相當(dāng)于計(jì)次頻率（計(jì)數(shù)器的變化頻率）提高了一倍。

正交信號(hào)可以在一定程度上免除噪聲的干擾。對(duì)于正交信號(hào)而言，兩個(gè)信號(hào)必須交替跳變，CNT的值才會(huì)自增或自減。如果一個(gè)信號(hào)不變，另一個(gè)信號(hào)連續(xù)跳變，則CNT的值是不會(huì)變化的。

編碼接口的基本結(jié)構(gòu)與工作模式：

編碼器接口借用了定時(shí)器的CH1和CH2通道，與CH3和CH4無(wú)關(guān)。且輸入捕獲前端的輸入濾波和極性選擇部分也有使用。編碼器接口的輸出部分，相當(dāng)于一個(gè)從模式控制器，控制CNT的自增和自減。此時(shí)72Hz內(nèi)部時(shí)鐘和時(shí)基單元初始化時(shí)設(shè)置的計(jì)數(shù)方向都處于失效的狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)的計(jì)數(shù)時(shí)鐘和計(jì)數(shù)方向都處于編碼器接口托管的狀態(tài)。 所以當(dāng)一個(gè)定時(shí)器被配置為編碼器接口模式，這個(gè)定時(shí)器就很難完成其他工作了，因?yàn)榫幋a器接口直接控制時(shí)基單元的時(shí)鐘來(lái)源。但是在編碼器接口模式下ARR是有效的，一般將ARR設(shè)置為最大量程，這樣利用補(bǔ)碼的特性，很容易得到負(fù)數(shù)。

編碼器接口的設(shè)計(jì)邏輯為：把A相和B相的所有邊沿作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，出現(xiàn)邊沿信號(hào)時(shí)，就計(jì)數(shù)自增或自減，此時(shí)增減由另一相的狀態(tài)確定。當(dāng)然，也可以?xún)H在一相進(jìn)行計(jì)數(shù)，忽略另一相，只不過(guò)這樣會(huì)犧牲一部分計(jì)數(shù)的精度。

計(jì)數(shù)方向與編碼器信號(hào)的關(guān)系：

以下是正轉(zhuǎn)時(shí)正交編碼器的信號(hào)：

根據(jù)計(jì)數(shù)方向與編碼器信號(hào)的關(guān)系圖與此圖可以看出，當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)計(jì)數(shù)器都是向上計(jì)數(shù)的，而反轉(zhuǎn)時(shí)正好相反，根據(jù)這些特性我們就可以有效的測(cè)出編碼的速度與方向。

具體例子：

在計(jì)數(shù)時(shí)如果極性選擇不反向的話TI1FP1和TI2FP2均不反相時(shí)，計(jì)數(shù)器的操作實(shí)例如下圖所示。下圖同時(shí)也展示了編碼器接口的抗噪聲原理：當(dāng)一個(gè)信號(hào)不變，另一個(gè)信號(hào)連續(xù)跳變（非正交編碼器的信號(hào)），計(jì)數(shù)器就會(huì)來(lái)回加減擺動(dòng)，最終計(jì)數(shù)值不變。（具體如下圖所示）

而反相的作用是當(dāng)編碼器模塊的使用過(guò)程中，如果數(shù)據(jù)的加減方向反了，就可以將任意一個(gè)引腳反相，反轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)方向得到自身需要的計(jì)數(shù)模式：具體如下圖所列舉（TI1反向時(shí)）：

定時(shí)器編碼器接口部分的介紹就到此為止，以上就是關(guān)于定時(shí)器的全部?jī)?nèi)容，接下來(lái)做具體實(shí)驗(yàn)來(lái)加深印象。

2?有關(guān)定時(shí)器的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在寫(xiě)代碼之前先了解HAL中提供的關(guān)于定時(shí)器中斷的函數(shù)：

?2.1? 定時(shí)器中斷：

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

利用定時(shí)器中斷和OLED顯示屏來(lái)顯示計(jì)時(shí)，每一秒記一次。

?接線圖如下：

?實(shí)物圖如下：

關(guān)于STM32CubeMX的配置如下：

?

在Timer中選擇定時(shí)器2來(lái)進(jìn)行配置，1時(shí)鐘源選擇內(nèi)部時(shí)鐘，2預(yù)分頻設(shè)置為分7200頻，3計(jì)數(shù)器模式設(shè)置為向上計(jì)數(shù)模式，4自動(dòng)重裝寄存器設(shè)置為10000，5內(nèi)部時(shí)鐘不分頻，6給計(jì)數(shù)器使能。

?

在NVIC里打開(kāi)定時(shí)器2的中斷

?

給NVIC的分組模式設(shè)為分組2，給OLED顯示屏的引腳設(shè)置為輸出模式，剩下配置不變生成工程即可。

代碼部分：

?Timer部分代碼：

?

??

主函數(shù)部分代碼：

寫(xiě)完這些代碼下載程序后發(fā)現(xiàn)，秒表的計(jì)時(shí)是從1開(kāi)始而不是從0開(kāi)始，這是因?yàn)閹?kù)函數(shù)中初始化過(guò)程中為了要讓預(yù)分頻器立刻起作用要操控預(yù)分頻器的緩沖寄存器，庫(kù)函數(shù)中給了更新事件的代碼讓預(yù)分頻緩沖寄存器立刻起作用，同時(shí)也產(chǎn)生了中斷標(biāo)志位這樣就導(dǎo)致了CPU一開(kāi)始運(yùn)行就進(jìn)入了中斷，為了彌補(bǔ)這一操作，我們需要在TIM初始化的函數(shù)中給他把更新中斷的標(biāo)志清除，這樣單片機(jī)就會(huì)，從主程序開(kāi)始執(zhí)行。具體操作如下：

?

光標(biāo)右鍵定時(shí)器初始化函數(shù)讓他跳轉(zhuǎn)到定義的.c文件里

在初始化函數(shù)的末尾加上__HAL_TIM_CLEAR_FLAG? ( &htim2, TIM_SR_UIF);//清除更新中斷標(biāo)志 即可。

?

2.2? 定時(shí)器外部時(shí)鐘

?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

?用對(duì)射式紅外傳感器模塊來(lái)手動(dòng)模擬一個(gè)外部時(shí)鐘的信號(hào)，然后每十個(gè)信號(hào)對(duì)其進(jìn)行一次計(jì)數(shù)，來(lái)做一個(gè)計(jì)數(shù)器。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：OLED屏幕上會(huì)顯示計(jì)數(shù)器的值與計(jì)次。

?接線圖如下：

?

實(shí)物圖如下：

首先配置STM32CubeMX

在Timer中選擇定時(shí)器2來(lái)進(jìn)行配置，1時(shí)鐘源選擇外部時(shí)鐘ETR，2預(yù)分頻設(shè)置為分1頻，3計(jì)數(shù)器模式設(shè)置為向上計(jì)數(shù)模式，4自動(dòng)重裝寄存器設(shè)置為10，5內(nèi)部時(shí)鐘不分頻，6給計(jì)數(shù)器使能。

剩余配置與2.1的配置相同，保存配置后打開(kāi)工程：

開(kāi)始手寫(xiě)代碼部分;

Timer部分代碼：

?

主函數(shù)部分代碼：

?這里同樣會(huì)遇到開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)為1而不是0的現(xiàn)象，只需要給TIM初始化時(shí)，給一個(gè)清除更新中斷的標(biāo)志即可。

做完兩個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)我們手寫(xiě)的代碼是一致的，這是由于Cube幫我們寫(xiě)好了初始化，實(shí)際上外部時(shí)鐘初始化的時(shí)候由于要用到GPIO口PA0所以我們要將PA0進(jìn)行初始化，不過(guò)Cube已經(jīng)幫我們配好，所以不需要配置，并且觀察定時(shí)器回調(diào)函數(shù)發(fā)現(xiàn)，在HAL庫(kù)中我們不用清除中斷標(biāo)志，當(dāng)中斷執(zhí)行完成之后，會(huì)自動(dòng)回退到主程序，這也是Cube幫我們已經(jīng)寫(xiě)好了原因，所以Cube在幫助代碼這一塊體現(xiàn)了極大的便捷，但是我們也要明白這些是如何得來(lái)的，不然對(duì)學(xué)習(xí)的幫助不會(huì)很大。

?

2.3? PWM驅(qū)動(dòng)LED的呼吸燈

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

通過(guò)定時(shí)對(duì)GPIO口來(lái)輸出PWM波形，通過(guò)不斷改變占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)分辨率為1，頻率為1000Hz的LED呼吸燈，通過(guò)下面公式計(jì)算得到參數(shù)?????

PWM = CK_PSC（內(nèi)部時(shí)鐘預(yù)分頻） / (PSC + 1) / (ARR + 1)=1000 ，

PWM占空比： Duty = CCR / (ARR + 1)（CCR時(shí)刻改變）

PWM分辨率： Reso = 1 / (ARR + 1）=1。

?

接線圖如下：

?

實(shí)物圖如下 ：

?

首先配置STM32CubeMX

在Timer中選擇定時(shí)器2來(lái)進(jìn)行配置，1時(shí)鐘源選擇內(nèi)部時(shí)鐘，2選定定時(shí)通道1，3預(yù)分頻設(shè)置為分720-1頻，4計(jì)數(shù)器模式設(shè)置為向上計(jì)數(shù)模式，5自動(dòng)重裝寄存器設(shè)置為100-1，6內(nèi)部時(shí)鐘不分頻，7給計(jì)數(shù)器使能。

接下來(lái)對(duì)PWM通道進(jìn)行設(shè)置給默認(rèn)即可Mode ：PWM模式1，Pulse(占空比值) ：0，F(xiàn)ast Mode PWM脈沖快速模式 ：不使能，PWM 極性： 設(shè)置為高電平（有效電平）。

其他Cube工程的設(shè)置不變，如果想用OLED來(lái)進(jìn)行調(diào)試可以將PB8與PB9設(shè)置為輸出模式。

代碼部分：

PWM模塊代碼：

主函數(shù)模塊：

?

2.4? PWM驅(qū)動(dòng)舵機(jī)

硬件電路：

舵機(jī)是一種根據(jù)輸入PWM信號(hào)占空比來(lái)控制輸出角度的裝置

輸入PWM信號(hào)要求：周期為20ms，高電平寬度為0.5ms~2.5ms

實(shí)物圖如下：

拆分圖如下：

由上圖可以看出舵機(jī)主要由程序圖里面的這些零件組成，可以看出舵機(jī)并不是一種單獨(dú)的電機(jī)，它內(nèi)部是由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。他里面還有個(gè)控制電路板，是一個(gè)電機(jī)的控制系統(tǒng)，大概的執(zhí)行邏輯是PWM信號(hào)輸入到控制板，給控制板一個(gè)指定的目標(biāo)角度，如果大于目標(biāo)角度，電機(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)，如果小于目標(biāo)，電機(jī)就會(huì)正轉(zhuǎn)，最終輸出輸出軸固定的在指定角度，這就是舵機(jī)輸出的具體工作流程，但不管怎么樣，我們只需要知道輸入一個(gè)PWM波形，輸出軸固定在一個(gè)角度就好。對(duì)于舵機(jī)的實(shí)際運(yùn)用通常是來(lái)控制機(jī)器人或者機(jī)械臂的關(guān)節(jié)。

電路圖如下所示：

具體實(shí)驗(yàn)如下：

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：通過(guò)按鍵來(lái)控制輸出不同的PWM信號(hào)，改變信號(hào)的占空比將PWM信號(hào)給到舵機(jī)的控制板然后驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

接線圖如下：

實(shí)物圖如下：

首先配置STM32CubeMX

在Timer中選擇定時(shí)器2來(lái)進(jìn)行配置，1時(shí)鐘源選擇內(nèi)部時(shí)鐘，2選定定時(shí)通道2，3預(yù)分頻設(shè)置為分72-1頻，4計(jì)數(shù)器模式設(shè)置為向上計(jì)數(shù)模式，5自動(dòng)重裝寄存器設(shè)置為20000-1，6內(nèi)部時(shí)鐘不分頻，7給計(jì)數(shù)器使能。

?

接下來(lái)對(duì)PWM通道進(jìn)行設(shè)置給默認(rèn)即可Mode ：PWM模式1，Pulse(占空比值)為0，F(xiàn)ast Mode PWM脈沖快速模式設(shè)置為不使能，PWM 極性設(shè)置為高電平（有效電平）與上述基本一致，本節(jié)實(shí)驗(yàn)需要用到按鍵和OLED所以要對(duì)按鍵和OLED顯示屏的GPIO繼續(xù)配置。（按鍵代碼和OLED的代碼可以移植以前的代碼拿來(lái)用，所以宏定義時(shí)與之前一致會(huì)更便捷的進(jìn)行代碼移植）。

代碼部分：

PWM代碼模塊：

Servo代碼模塊

主函數(shù)代碼模塊：

?

2.5? PWM驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)

?硬件電路部分：

?直流電機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，有兩個(gè)電極，當(dāng)電極正接時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)電極反接時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

直流電機(jī)屬于大功率器件，GPIO口無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)，需要配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)操作TB6612是一款雙路H橋型的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)并且控制其轉(zhuǎn)速和方向。（驅(qū)動(dòng)電壓5V，開(kāi)發(fā)板的VCC電壓為3.3V所以需要接到STlink上）。

?直流電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路TB6612實(shí)物圖如下：

?

具體接線電路如下：

?

以上名稱(chēng)的具體含義如下：

?

?

具體實(shí)驗(yàn)如下：

具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

通過(guò)按鍵來(lái)輸出不同的PWM信號(hào)，改變占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)線圈轉(zhuǎn)速的操縱，同時(shí)可以控制正反轉(zhuǎn)，控制正轉(zhuǎn)就是給輸入控制端的電平給一高一低即可，反轉(zhuǎn)給輸入控制段電平相比正轉(zhuǎn)而言設(shè)置相反的高低電平即可。

接線圖：

實(shí)物圖：

?

對(duì)于STM32的工程配置：

?

配置過(guò)程與上述過(guò)程基本一致，把PWM通道改成3即可，同時(shí)與直流電機(jī)相連的IO口配置為輸出模式，其他模式的配置與PWM驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的配置基本一致。

?

代碼部分：

?PWM代碼模塊：

Motor模塊（直流電機(jī)）

?

主函數(shù)模塊：

?

????

2.6? 輸入捕獲測(cè)定頻率與占空比

PWMI模式就是對(duì)輸入捕獲模式的進(jìn)一步配置，所以直接來(lái)配置PWMI模式來(lái)測(cè)頻率與占空，將PA0設(shè)置為輸出模式，輸出不同的PWM占空比，然后將PA6設(shè)置為PWMI來(lái)接收來(lái)自PA0的信號(hào)，并且通過(guò)輸入捕獲模式來(lái)得到PA6端口具體的頻率與占空比，與PA0端口進(jìn)行比較觀察是否一致。

實(shí)驗(yàn)如下：

接線圖：

實(shí)物圖如下：

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

配置STM32CubeMX工程

首先用定時(shí)器2來(lái)輸出一個(gè)PWM信號(hào)：在Timer中選擇定時(shí)器2來(lái)進(jìn)行配置，1時(shí)鐘源選擇內(nèi)部時(shí)鐘，2選定定時(shí)通道2，3預(yù)分頻設(shè)置為分720-1頻，4計(jì)數(shù)器模式設(shè)置為向上計(jì)數(shù)模式，5自動(dòng)重裝寄存器設(shè)置為100-1，6內(nèi)部時(shí)鐘不分頻，7給計(jì)數(shù)器使能。（與上一節(jié)操作一致）

接下來(lái)用定時(shí)器來(lái)配置PWMI輸入捕獲通道（將PWM輸出的信號(hào)）給輸入到這里來(lái)：

1從模式配置為復(fù)位，2選擇內(nèi)部時(shí)鐘源，3打開(kāi)通道1與通道2配置為輸入捕獲模式，4（時(shí)基單元的配置）預(yù)分頻配置為72，自動(dòng)重裝寄存器配置為最大65536（防止計(jì)數(shù)溢出） ， 5（輸入捕獲通道配置）通道1的邊沿觸發(fā)器選擇上升沿觸發(fā)，分頻選擇不分頻，濾波器參數(shù)配置為0xf，通道2只需要將邊沿改為下降沿即可沿即可。

?

?

程序調(diào)試用OLED顯示屏來(lái)調(diào)試所以對(duì)于OLED的引腳要進(jìn)行配置(PB8與PB9改為輸出模式即可)。其余配置不變，保存配置生成工程即可。

代碼部分：

PWM部分代碼：

Inputcapture部分代碼：

?

主函數(shù)部分代碼：

對(duì)于主函數(shù)這部分代碼里改變PA0占空比和頻率的代碼可以放進(jìn)定時(shí)器里這樣可以實(shí)時(shí)檢測(cè)輸入信號(hào)的頻率和占空比的改變。

?

2.7? 編碼器接口測(cè)速

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

利用定時(shí)器的編碼器接口，旋轉(zhuǎn)編碼按鈕，根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的正交信號(hào)來(lái)控制計(jì)數(shù)器的加減（正轉(zhuǎn)加反轉(zhuǎn)減），通過(guò)OLED顯示屏來(lái)獲取編碼器旋轉(zhuǎn)的速度與正反（正負(fù)號(hào)表示）。

?接線圖：

實(shí)物圖：

首先配置STM32CubeMX的工程：

本章節(jié)需要用到定時(shí)器定時(shí)中斷來(lái)測(cè)速，而當(dāng)定時(shí)器用作編碼器時(shí)，其他功能不能照常使用，所以需要一個(gè)定時(shí)器用來(lái)做中斷，一個(gè)用來(lái)做編碼器接口：

給定時(shí)器2配置為每隔一秒進(jìn)一次中斷，記得在NVIC里打開(kāi)定時(shí)器2的中斷：

給定時(shí)器配置為編碼器接口：1模式配置為編碼器接口接收正交編碼的形式時(shí)基單元的配置維持默認(rèn)（預(yù)分頻為0，自動(dòng)重裝值為65535），

2采用A，B相都計(jì)數(shù)的模式（精度更高）。

3采用極性不反轉(zhuǎn)的模式（上升沿在這里的意思時(shí)極性不反轉(zhuǎn)）。（通道1和2配置相同）

4濾波器的參數(shù)為0xF.（通道1和2配置相同)

這里截圖只截了通道1的，通道2也要配置。

?

其余配置不變，由于GPIO口引腳復(fù)用所以對(duì)于PA0，PA6與PA7不用專(zhuān)門(mén)配置，然后將OLED的數(shù)據(jù)線與時(shí)鐘線PB9與PB8配置為輸出模式即可。然后保存并打開(kāi)工程。

代碼部分：

Timer部分代碼：

Encoder部分代碼：

主函數(shù)部分代碼：