高级定时器

初识stm32高级定时器：

     （1）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，可以实现输入捕获和输出比较功能。

     （2）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。

     （3）高级控制定时器时基单元包含：

                                   ==>一个 16 位自动重装载寄存器 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)

                                   ==>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(仅高级定时器独有)

 

功能框图：

                   

   

    高级定时器的定时器的时钟来源（有四个时钟来源）：

                                                                                         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(ITRx)

 

 

       1）内部时钟源CK_INT

 

    对应于功能框图==>

                    内部时钟 CK_INT来自于芯片内部，等于72M（一般情况下，我们都是使用内部时钟）

                     

   

 

     对应于寄存器配置位==>

                    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。

                    

 

         

 

     2）外部时钟模式 1：外部输入引脚 TIx（x=1,2,3,4）

           

     对应于功能框图==>

                       

                     

      

          

         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_CCMRx的位CCxS[1:0]配置，其中 CCMR1 控制 TI1/2，CCMR2 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_CCMRx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 111 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。

 

      3）外部时钟模式 2：外部触发输入 ETR

    

     对应于功能框图==>

                     

           

             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（72M）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。

 

 

   4）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。

 

 

 

      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。

          

 

 

   时基单元：

          

   高级控制定时器时基单元功能包括四个寄存器，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)。

 

 

   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：f CK_CNT 等于 f CK_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，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。

 

 

  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。

 

   输入捕获功能：

   输入捕获功能：

   可以对输入的信号的上升沿，下降沿或者双边沿进行捕获。

   1）测量输入信号的脉宽

   2）测量PWM输入信号的频率和占空比 

 

   输入捕获的大概的原理：

   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>你的捕获定时器的周期，就会发生溢出，这个需要做额外的处理）

         

 

          ①输入通道(脉冲信号输入)    

        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

        

        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 f SAMPLE 可以由 f CK_INT 和 f DTS 分频后的时钟提供，其中是 f CK_INT 内部时钟，f DTS 是 f CK_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。 

       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。

             

 

 

     输出比较功能:      

        

    

    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、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。

     

  

    举例：

    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：

     MOS开关和关闭需要时间-->(由 MOS 管的工艺决定）

     

    在这个半桥驱动电路中，如果想让 Q1 截止 Q2 导通，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，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。

 

   

    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:

 

   

 

      ③输出控制 

      

     

      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。

 

 

    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：

    ①TIMx_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； 

    ②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； 

    ③将TIMx_SR寄存器中的BIF位置 1，并可产生中断和DMA传输请求。 

    ④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。