31. TIM—基本定时器

本章参考资料:《STM32F10X-中文参考手册》 基本定时器章节。学习本章时,配合参考资料一起阅读,效果会更佳,特别是涉及到寄存器说明的部分。

31.1. 定时器分类

STM32F1 系列中,除了互联型的产品,共有 8个定时器,分为基本定时器,通用定时器和高级定时器。 基本定时器 TIM6 和 TIM7 是一个 16位的只能向上计数的定时器,只能定时,没有外部 IO。 通用定时器 TIM2/3/4/5是一个 16位的可以向上/下计数的定时器,可以定时,可以输出比较,可以输入捕捉, 每个定时器有四个外部IO。高级定时器 TIM1/8是一个 16位的可以向上/下计数的定时器,可以定时,可以输出比较, 可以输入捕捉,还可以有三相电机互补输出信号,每个定时器有8 个外部 IO。更加具体的分类详情见图 定时器分类

定时器分类

31.2. 基本定时器功能框图讲解

基本定时器的核心是时基,不仅基本定时器有,通用定时器和高级定时器也有。学习定时器时,我们先从简单的基本定时器学起, 到了后面的通用和高级定时器的学习中,我们直接跳过时基部分的讲解即可。 基本定时器的功能框图见图 基本定时器功能框图

基本定时器功能框图

31.2.1. 时钟源

定时器时钟 TIMxCLK,即内部时钟 CK_INT,经 APB1预分频器后分频提供,如果APB1 预分频系数等于 1,则频率不变, 否则频率乘以 2,库函数中 APB1预分频的系数是2,即 PCLK1=36M,所以定时器时钟 TIMxCLK=36*2=72M。

31.2.2. 计数器时钟

定时器时钟经过 PSC 预分频器之后,即 CK_CNT,用来驱动计数器计数。PSC是一个16 位的预分频器, 可以对定时器时钟 TIMxCLK 进行 1~65536之间的任何一个数进行分频。具体计算方式为:CK_CNT=TIMxCLK/(PSC+1)。

31.2.3. 计数器

计数器 CNT 是一个 16 位的计数器,只能往上计数,最大计数值为65535。当计数达到自动重装载寄存器的时候产生更新事件,并清零从头开始计数。

31.2.4. 自动重装载寄存器

自动重装载寄存器 ARR 是一个 16位的寄存器,这里面装着计数器能计数的最大数值。当计数到这个值的时候,如果使能了中断的话,定时器就产生溢出中断。

31.2.5. 定时时间的计算

定时器的定时时间等于计数器的中断周期乘以中断的次数。计数器在 CK_CNT的驱动下,计一个数的时间则是 CK_CLK的倒数, 等于:1/(TIMxCLK/(PSC+1)),产生一次中断的时间则等于:1/(CK_CLK * ARR)。如果在中断服务程序里面设置一个变量time, 用来记录中断的次数,那么就可以计算出我们需要的定时时间等于:1/CK_CLK* (ARR+1)*time。

31.3. 定时器初始化结构体详解

在标准库函数头文件stm32f10x_tim.h中对定时器外设建立了四个初始化结构体,基本定时器只用到其中一个即TIM_TimeBaseInitTypeDef, 具体的见 代码清单:基本定时器-1 ,其他三个我们在高级定时器章节讲解。

代码清单:基本定时器-1 定时器基本初始化结构体
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typedef struct {
    uint16_t TIM_Prescaler;          // 预分频器
    uint16_t TIM_CounterMode;        // 计数模式
    uint32_t TIM_Period;             // 定时器周期
    uint16_t TIM_ClockDivision;      // 时钟分频
    uint8_t TIM_RepetitionCounter;   // 重复计算器
} TIM_TimeBaseInitTypeDef;

(1) TIM_Prescaler: 定时器预分频器设置,时钟源经该预分频器才是定时器时钟,它设定TIMx_PSC寄存器的值。可设置范围为0至65535,实现1至65536分频。

(2) TIM_CounterMode: 定时器计数方式,可是在为向上计数、向下计数以及三种中心对齐模式。基本定时器只能是向上计数,即TIMx_CNT只能从0开始递增,并且无需初始化。

(3) TIM_Period: 定时器周期,实际就是设定自动重载寄存器的值,在事件生成时更新到影子寄存器。可设置范围为0至65535。

(4) TIM_ClockDivision: 时钟分频,设置定时器时钟CK_INT频率与数字滤波器采样时钟频率分频比,基本定时器没有此功能,不用设置。

(5) TIM_RepetitionCounter: 重复计数器,属于高级控制寄存器专用寄存器位,利用它可以非常容易控制输出PWM的个数。这里不用设置。

虽然定时器基本初始化结构体有5个成员,但对于基本定时器只需设置其中两个就可以,想想使用基本定时器就是简单。

31.4. 基本定时器定时实验

31.4.1. 硬件设计

本实验利用基本定时器 TIM6/7 定时 1s,1s 时间到 LED 翻转一次。基本定时器是单片机内部的资源, 没有外部 IO,不需要接外部电路,现只需要一个 LED 即可。

31.4.2. 软件设计

这里只讲解核心的部分代码,有些变量的设置,头文件的包含等并没有涉及到,完整的代码请参考本章配套的工程。 我们编写两个定时器驱动文件,bsp_TiMbase.h 和 bsp_TiMbase.h,用来配置定时器中断优先级和和初始化定时器。

31.4.2.1. 编程要点

(1) 开定时器时钟 TIMx_CLK, x[6,7];

(2) 初始化时基初始化结构体;

(3) 使能 TIMx, x[6,7] update 中断;

(4) 打开定时器;

(5) 编写中断服务程序

通用定时器和高级定时器的定时编程要点跟基本定时器差不多,只是还要再选择下计数器的计数模式, 是向上还是向下。因为基本定时器只能向上计数,且没有配置计数模式的寄存器,默认是向上。

31.4.2.2. 软件分析

基本定时器宏定义

代码清单:基本定时器-2 宏定义
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/********************基本定时器TIM参数定义,只限TIM6、7************/
#define BASIC_TIM6 // 如果使用TIM7,注释掉这个宏即可

#ifdef  BASIC_TIM6 // 使用基本定时器TIM6
#define            BASIC_TIM                   TIM6
#define            BASIC_TIM_APBxClock_FUN     RCC_APB1PeriphClockCmd
#define            BASIC_TIM_CLK               RCC_APB1Periph_TIM6
#define            BASIC_TIM_IRQ               TIM6_IRQn
#define            BASIC_TIM_IRQHandler        TIM6_IRQHandler

#else  // 使用基本定时器TIM7
#define            BASIC_TIM                   TIM7
#define            BASIC_TIM_APBxClock_FUN     RCC_APB1PeriphClockCmd
#define            BASIC_TIM_CLK               RCC_APB1Periph_TIM7
#define            BASIC_TIM_IRQ               TIM7_IRQn
#define            BASIC_TIM_IRQHandler        TIM7_IRQHandler

#endif

基本定时器有 TIM6 和 TIM7,我们可以有选择的使用,为了提高代码的可移植性,我们把当需要修改定时器时需要修改的代码定义成宏, 默认使用的是定时器 6,如果想修改成定时器 7,只需要把宏 BASIC_TIM6 注释掉即可。

基本定时器配置

代码清单:基本定时器-3 基本定时器模式配置
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void BASIC_TIM_Config(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;

    // 开启定时器时钟,即内部时钟CK_INT=72M
    BASIC_TIM_APBxClock_FUN(BASIC_TIM_CLK, ENABLE);

    // 自动重装载寄存器周的值(计数值)
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=1000;

    // 累计TIM_Period个频率后产生一个更新或者中断
    // 时钟预分频数为71,则驱动计数器的时钟CK_CNT = CK_INT / (71+1)=1M
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler= 71;

    // 时钟分频因子 ,基本定时器没有,不用管
    //TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;

    // 计数器计数模式,基本定时器只能向上计数,没有计数模式的设置
    //TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;

    // 重复计数器的值,基本定时器没有,不用管
    //TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;

    // 初始化定时器
    TIM_TimeBaseInit(BASIC_TIM, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 清除计数器中断标志位
    TIM_ClearFlag(BASIC_TIM, TIM_FLAG_Update);

    // 开启计数器中断
    TIM_ITConfig(BASIC_TIM,TIM_IT_Update,ENABLE);

    // 使能计数器
    TIM_Cmd(BASIC_TIM, ENABLE);

    // 暂时关闭定时器的时钟,等待使用
    BASIC_TIM_APBxClock_FUN(BASIC_TIM_CLK, DISABLE);
}

我们把定时器设置自动重装载寄存器 ARR 的值为 1000,设置时钟预分频器为 71, 则驱动计数器的时钟:CK_CNT = CK_INT / (71+1)=1M, 则计数器计数一次的时间等于:1/CK_CNT=1us,当计数器计数到 ARR 的值 1000时, 产生一次中断,则中断一次的时间为:1/CK_CNT*ARR=1ms。

在初始化定时器的时候,我们定义了一个结构体:TIM_TimeBaseInitTypeDef, TIM_TimeBaseInitTypeDef 结构体里面有 5 个成员, TIM6 和 TIM7 的寄存器里面只有TIM_Prescaler 和 TIM_Period,另外三个成员基本定时器是没有的, 所以使用TIM6 和TIM7 的时候只需初始化这两个成员即可, 另外三个成员是通用定时器和高级定时器才有,具体说明如下:

typedef struct {
    TIM_Prescaler            // 都有
    TIM_CounterMode          // TIMx,x[6,7]没有,其他都有
    TIM_Period               // 都有
    TIM_ClockDivision        // TIMx,x[6,7]没有,其他都有
    TIM_RepetitionCounter    // TIMx,x[1,8,15,16,17]才有
} TIM_TimeBaseInitTypeDef;

其中 TIM15/16/17 只存在与互联型产品中,在 F1 大/中/小容量型号中没有。

定时器中断优先级配置

// 中断优先级配置
void BASIC_TIM_NVIC_Config(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    // 设置中断组为0
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0);
    // 设置中断来源
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = BASIC_TIM_IRQ ;
    // 设置主优先级为 0
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    // 设置抢占优先级为3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

我们设置中断分组为 0,主优先级为 0,抢占优先级为 3。

定时器中断服务程序

void  BASIC_TIM_IRQHandler (void)
{
    if ( TIM_GetITStatus( BASIC_TIM, TIM_IT_Update) != RESET ) {
        time++;
        TIM_ClearITPendingBit(BASIC_TIM , TIM_FLAG_Update);
    }
}

定时器中断一次的时间是 1ms,我们定义一个全局变量 time,每当进一次中断的时候,让time 来记录进入中断的次数。 如果我们想实现一个 1s 的定时,我们只需要判断 time 是否等于 1000 即可,1000 个 1ms 就是 1s。 然后把 time 清0,重新计数,以此循环往复。在中断服务程序的最后,要把相应的中断标志位清除掉,切记。

主函数

int main(void)
{
    /* led 端口配置 */
    LED_GPIO_Config();

    /* 基本定时器 TIMx,x[6,7] 定时配置 */
    BASIC_TIM_Config();

    /* 配置基本定时器 TIMx,x[6,7]的中断优先级 */
    BASIC_TIM_NVIC_Config();

    /* 基本定时器 TIMx,x[6,7] 重新开时钟,开始计时 */
    BASIC_TIM_APBxClock_FUN(BASIC_TIM_CLK, ENABLE);

    while (1) {
        if ( time == 1000 ) { /* 1000 * 1 ms = 1s 时间到 */
            time = 0;
            /* LED1 取反 */
            LED1_TOGGLE;
        }
    }
}

主函数做一些必须的初始化,然后在一个死循环中不断的判断 time 的值,time的值在定时器中断改变, 每加一次表示定时器过了 1ms,当 time 等于 1000 时,1s时间到,LED1翻转一次,并把 time 清 0。

31.4.3. 下载验证

把编写好的程序下载到开发板,可以看到 LED1 以 1s 的频率闪烁一次。