STM32F103系列单片机中的定时器工作原理解析

yingujun 2018-11-07 14088

控制/MCU

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描述

STM32F103系列的单片机一共有11个定时器，其中：

2个高级定时器

4个普通定时器

2个基本定时器

2个看门狗定时器

1个系统嘀嗒定时器

出去看门狗定时器和系统滴答定时器的八个定时器列表;

8个定时器分成3个组；

TIM1和TIM8是高级定时器

TIM2-TIM5是通用定时器

TIM6和TIM7是基本的定时器

这8个定时器都是16位的，它们的计数器的类型除了基本定时器TIM6和TIM7都支持向上，向下，向上/向下这3种计数模式

STM32单片机

计数器三种计数模式

向上计数模式：从0开始，计到arr预设值，产生溢出事件，返回重新计时

向下计数模式：从arr预设值开始，计到0，产生溢出事件，返回重新计时

中央对齐模式：从0开始向上计数，计到arr产生溢出事件，然后向下计数，计数到1以后，又产生溢出，然后再从0开始向上计数。（此种技术方法也可叫向上/向下计数）

基本定时器（TIM6，TIM7）的主要功能：

只有最基本的定时功能，。基本定时器TIM6和TIM7各包含一个16位自动装载计数器，由各自的可编程预分频器驱动

通用定时器（TIM2~TIM5）的主要功能：

除了基本的定时器的功能外，还具有测量输入信号的脉冲长度（输入捕获）或者产生输出波形（输出比较和PWM）

高级定时器（TIM1，TIM8）的主要功能：

高级定时器不但具有基本，通用定时器的所有的功能，还具有控制交直流电动机所有的功能，你比如它可以输出6路互补带死区的信号，刹车功能等等

通用定时器的时钟来源;

a：内部时钟（CK_INT）

b：外部时钟模式1：外部输入脚（TIx）

c：外部时钟模式2：外部触发输入（ETR）

d：内部触发输入（ITRx）：使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器

通用定时期内部时钟的产生：

从截图可以看到通用定时器（TIM2-7）的时钟不是直接来自APB1，而是通过APB1的预分频器以后才到达定时器模块。

当APB1的预分频器系数为1时，这个倍频器就不起作用了，定时器的时钟频率等于APB1的频率；

当APB1的预分频系数为其它数值（即预分频系数为2、4、8或16）时，这个倍频器起作用，定时器的时钟频率等于APB1时钟频率的两倍。

自动装在寄存器arr值的计算：

Tout= （（arr+1）*（psc+1））/Tclk；

Tclk：TIM3的输入时钟频率（单位为Mhz）。

Tout：TIM3溢出时间（单位为us）。

计时1S，输入时钟频率为72MHz，加入PSC预分频器的值为35999，那么：

（（1+psc ）/72M）*（1+arr ）=（（1+35999）/72M）*（1+arr）=1秒

则可计算得出自动窗装载寄存器arr=1999

通用定时器PWM工作原理

以PWM模式2，定时器3向上计数，有效电平是高电平，定时器3的第3个PWM通道为例：

定时器3的第3个PWM通道对应是PB0这引脚，三角顶点的值就是TIM3_ARR寄存器的值，上图这条红线的值就TIM3_CCR3

当定时器3的计数器（TIM3_CNT）刚开始计数的时候是小于捕获/比较寄存器（TIM3_CCR3）的值，

此时PB0输出低电平，随着计数器（TIM3_CNT）值慢慢的增加，

当计数器（TIM3_CNT）大于捕获/比较寄存器（TIM3_CCR3）的值时，这时PB0电平就会翻转，输出高电平，计数器（TIM3_CNT）的值继续增加，

当TIM3_CNT=TIM3_ARR的值时，TIM3_CNT重新回到0继续计数，PB0电平翻转，输出低电平，此时一个完整的PWM信号就诞生了。

PWM输出模式;

STM32的PWM输出有两种模式：

模式1和模式2，由TIMx_CCMRx寄存器中的OCxM位确定的（“110”为模式1，“111”为模式2）。区别如下：

110：PWM模式1，在向上计数时，一旦TIMx_CNT

在向下计数时，一旦TIMx_CNT》TIMx_CCR1时通道1为无效电平（OC1REF=0），否则为有效电平（OC1REF=1）。

111：PWM模式2－在向上计数时，一旦TIMx_CNTTIMx_CCR1时通道1为有效电平，否则为无效电平。

由以上可知：

模式1和模式2正好互补，互为相反，所以在运用起来差别也并不太大。而从计数模式上来看，PWM也和TIMx在作定时器时一样，也有向上计数模式、向下计数模式和中心对齐模式

PWM的输出管脚：

不同的TIMx输出的引脚是不同（此处设计管脚重映射）

TIM3复用功能重映射：

注：重映射是为了PCB的设计方便。值得一提的是，其分为部分映射和全部映射

PWM输出频率的计算：

PWM输出的是一个方波信号，信号的频率是由TIMx的时钟频率和TIMx_ARR这个寄存器所决定的

输出信号的占空比则是由TIMx_CRRx寄存器确：

占空比=（TIMx_CRRx/TIMx_ARR）*100%

PWM频率的计算公式为：

其中

F就是PWM输出的频率，单位是：HZ;

ARR就是自动重装载寄存器（TIMx_ARR）;

PSC 就是预分频器（TIMx_PSC）；

72M就是系统的频率；

STM32 高级定时器PWM的输出

一路带死区时间的互补PWM的波形图

STM32F103VC这款单片机一共有2个高级定时器TIM1和TIM8

这2个高级定时器都可以同时产生3路互补带死区时间的PWM信号和一路单独的PWM信号，

具有刹车输入功能，在紧急的情况下这个刹车功能可以切断PWM信号的输出

还具有支持针对定位的增量（正交）编码器和霍尔传感器电路

高级控制定时器（TIM1 和TIM8）由一个16位的自动装载计数器组成，它由一个可编程的预分频器驱动

它适合多种用途，包含测量输入信号的脉冲宽度（输入捕获），或者产生输出波形（输出比较、PWM、嵌入死区时间的互补PWM等）。

使用定时器预分频器和RCC时钟控制预分频器，可以实现脉冲宽度和波形周期从几个微秒到几个毫秒的调节。

高级控制定时器（TIM1 和TIM8）和通用定时器（TIMx）是完全独立的，它们不共享任何资源

死区时间

H桥电路为避免由于关断延迟效应造成上下桥臂直通，有必要设置死区时间

死区时间可有效地避免延迟效应所造成的一个桥臂未完全关断，而另一桥臂又处于导通状态，避免直通炸开关管。

死区时间越大，电路的工作也就越可靠，但会带来输出波形的失真以及降低输出效率。

死区时间小，输出波形要好一些，但是会降低系统的可靠性，一般这个死区时间设置为us级

元器件死区时间是不可以改变的，它主要是取决于元器件的制作工艺和材料！

原则上死区时间当然越小越好。设置死区时间的目的，其实说白了就是为了电路的安全。最佳的设置方法是：在保证安全的前提下，设置的死区时间越小越好。以不炸功率管、输出不短路为目的。

STM32死区时间探究

设置寄存器：就是刹车和死区控制寄存器（TIMx_BDTR）

这个寄存器的第0—7位，这8个位就是用来设置死区时间的，使用如下：

以TIM1为例说明其频率是如何产生的。

定时器1适中产生路线：

系统时钟-》 AHB预分频 -》 APB2预分频 –》 TIM1倍频器–》产生TIM1的时钟系统

流程图看可以看出，要想知道TIM1的时钟，就的知道系统时钟，AHB预分频器的值，还有APB2预分频器的值，只要知道了这几个值，即可算出TIM1的时钟频率？

这些值从何来，在“SystemInit（）”这个时钟的初始化函数中已经给我们答案了，在这个函数中设置的系统时钟是72MZ，AHB预分频器和APB2预分频器值都是设置为1，由此可算出：TIM1时钟频率：

72MHZ了，TDTS=1/72MHZ=13.89ns

Tdtg死区时间步进值，它的值是定时器的周期乘以相应的数字得到的

下面看看官方给的公式如何使用，如下：

DTG［7:5］=0xx=》DT=DTG［6:0］×Tdtg，Tdtg=TDTS

首先由DTG［7:5］=0xx可以知道的是：DTG的第7位必须为0，剩余的0~6这7位可配置死区时间，假如TIM1的时钟为72M的话，那么由公式Tdtg=TDTS可计算出：TDTS=1/72MHZ=13.89ns。

有了这个值，然后通过公式DT=DTG［6:0］×Tdtg即可计算出DT的值。

如果DTG的第0~6位均为0的话，DT=0

如果DTG的第0~6位均为1的话，DT=127*13.89ns=1764ns

如果TIM1的时钟为72M的话，

公式1可设置的死区时间0~1764ns，也就是说：

如果你的项目需要输出的PWM信号要求的死区时间是0——1764ns的时候你就可以用公式1

同样可计算出4个公式的死去区间，如下：

公式1：DT=0~1764ns

公式2：DT=1777.9ns~3528.88ns

公式3：DT=3555.84ns~7000.56ns

公式4：DT=7111.68ns~14001.12ns

如何设置死区时间：

假如我们设计了一个项目要求输出的PWM信号中加入一个3us的死区时间因为3us这个值在第二个公式决定的死区范围之内所以选择第二个公式。3000/（13.89*2）=108，

所以DTG［5:0］=108-64=44

所以DTG=127+44+32=203=0XCB，TIM1-》BDTR|=0Xcb

这里为什么要在加上一个32那？在公式2中DTG的第5位是一个X，也就是说这一位可以设置为高电平，也可以设置为低电平，在这里我们将这一位设置为了高电平，所有要在加上一个32.如此而已！

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