32. LPTIM—低功耗定时器

本章参考资料：《STM32H743用户手册》、《STM32H743xI规格书》、库帮助文档《STM32H753xx_User_Manual.chm》

学习本章时，配合《STM32H743用户手册》低功耗定时器章节一起阅读，效果会更佳，特别是涉及到寄存器说明的部分。

特别说明，本书内容是以STM32H743系列控制器资源讲解。

32.1. 低功耗定时器

LPTIM 是一个 16 位定时器，顾名思义他就是可以实现低功耗应用的一个特殊定时器。由于时钟源的多样性，LPTIM 能够在除待机模式以外的所有电源模式下保持运行。 即使没有内部时钟源， LPTIM 也能运行，鉴于这一点，可将其用作“脉冲计数器”，这种脉冲计数器在某些应用中十分有用。此外， LPTIM还能将系统从低功耗模式唤醒，因此非常适合实现“超时功能”，而且功耗极低。

LPTIM 引入了一个灵活的时钟方案，该方案能够提供所需的功能和性能，同时还能最大程度地降低功耗。

LPTIM时基单元包含一个16位自动重载计数器ARR，一个16位的递增计数器CNT，一个3位可编程预分频器可以采用8种分频系数（1、2、4、8、16、32、64、128）， 预分频器时钟源有多种可选，有内部时钟源： LSE、 LSI、 HSI 或 APB 时钟、外部时钟ULPTIM输入的外部时钟源（在没有 LP 振荡器运行的情况下工作，由脉冲计数器应用使用）。

32.2. 低功耗定时器功能框图

低功耗定时器功能框图包含了低功耗定时器最核心内容，掌握了功能框图，对低功耗定时器就有一个整体的把握，在编程时思路就非常清晰，见图 高级控制定时器功能框图 。

高级控制定时器功能框图

32.2.1. ①时钟源

低功耗定时器有多个时钟源可选：

  • 内部时钟源APB时钟，PCLK1=120MHz(默认)

  • 内部时钟LSE

  • 内部时钟LSI

  • 内部时钟HIS

  • 外部输入引脚提供时钟

当通过外部时钟源提供时钟时， LPTIM可以在下述两种可能配置中的其中一种配置下运行：

(1) LPTIM 通过外部信号提供时钟，但同时通过 APB 或 LSE、 LSI 和 HSI等任何其他内置振荡器为 LPTIM 提供内部时钟信号。

(2) LPTIM 仅由外部时钟源通过外部输入提供时钟。此配置可在进入低功耗模式后所有内置振荡器关闭时，用于实现超时功能或脉冲计数器功能。

对 CKSEL 和 COUNTMODE 位进行编程，可控制 LPTIM 使用外部时钟源还是内部时钟源。

当使用外部时钟源时，可使用 CKPOL 位选择外部时钟信号的有效边沿。如果上升沿和下降沿均为有效边沿，则还应提供内部时钟信号（第一种配置）。 在这种情况下，内部时钟信号频率应至少为外部时钟信号频率的五倍。

32.2.2. ②干扰滤波器

LPTIM 输入（外部或内部）由数字滤波器保护，避免任何毛刺和噪声干扰在 LPTIM 内部传播，从而防止产生意外计数或触发。在激活数字滤波器之前， 首先应向 LPTIM 提供内部时钟源，这是保证滤波器正常工作的必要条件。特别注意不提供内部时钟信号时， 必须通过将 CKFLT 和 TRGFLT 位设为 0来停用数字滤波器。在这种情况下，可使用外部模拟滤波器来防止 LPTIM 外部输入产生干扰。

数字滤波器分为两组:

(1) 第一组数字滤波器保护 LPTIM外部输入。数字滤波器的敏感性由 CKFLT 位控制。

(2) 第二组数字滤波器保护 LPTIM 内部触发输入。数字滤波器的敏感性由 TRGFLT 位控制。

数字滤波器的敏感性以组为单位进行控制。无法单独配置同一组内各个数字滤波器的敏感性。滤波器的敏感性会影响相同的连续采样的数量， 在其中一个 LPTIM 输入上检测到此类连续采样时，才能将某信号电平变化视为有效切换。图 干扰滤波器时序图 给出了编程 2 个连续采样时，干扰滤波器的时序图。

干扰滤波器时序图

32.2.3. ③预分频器

LPTIM 16 位计数器前面要有一个可配置的 2 次幂预分频器。预分频器的分频比由 PRESC[2:0]3 位域进行控制。表 预分频器的分频比 列出了所有可能的分频比：

预分频器的分频比

32.2.4. ④触发多路复用器

LPTIM 计数器可通过软件启动，也可以在 8 个触发输入之一上检测到有效边沿后启动。TRIGEN[1:0] 用于确定 LPTIM 触发源：

TRIGEN[1:0] 等于“ 00”时， LPTIM 计数器会在通过软件将 CNTSTRT 位或 SNGSTRT位其中之一置 1 后立即启动。

TRIGEN[1:0] 的其余三个可能的值用于配置触发输入使用的有效边沿。 LPTIM 计数器会在检测到有效边沿后立即启动。

TRIGEN[1:0] 不等于“ 00”时， TRIGSEL[2:0] 用于选择使用 8 个触发输入中的哪一个来启动计数器。

外部触发信号视为 LPTIM 的异步信号。因此，检测到触发信号后，由于同步问题，需要延迟两个计数器时钟周期，定时器才能开始运行。

外部触发信号视为 LPTIM 的异步信号。因此，检测到触发信号后，由于同步问题，需要延迟两个计数器时钟周期，定时器才能开始运行。必须使能定时器， 才能将 SNGSTRT/CNTSTRT 位置 1。当定时器禁止时，对这些位执行的任何写操作都将被硬件丢弃。

32.2.5. ⑤生成PWM

两个 16 位寄存器， LPTIMx_ARR（自动重载寄存器）和 LPTIMx_CMP（比较寄存器）用于在 LPTIM 输出上生成多个不同的波形。

定时器可生成以下波形：

(1) PWM 模式：若 LPTIMx_CMP 寄存器与 LPTIMx_CNT 寄存器匹配，则会立即将 LPTIM输出置 1。若 LPTIMx_ARR 寄存器与 LPTIMx_CNT 寄存器匹配，则会立即将 LPTIM输出复位。

(2) 单脉冲模式：对于第一个脉冲，输出波形与 PWM 模式输出波形类似，随后输出将永久复位。

(3) 置 1 一次模式：除输出保持最后一个信号电平外（取决于配置的输出极性），输出波形与单脉冲模式输出波形类似。

上述模式要求 LPTIMx_ARR 寄存器的值严格大于 LPTIMx_CMP 寄存器的值。

LPTIM 输出波形可通过 WAVE 位配置，具体如下:

若将 WAVE 位复位为 0，则会强制 LPTIM 生成 PWM 波形或单脉冲波形，具体取决于将哪个位（ CNTSTRT 或 SNGSTRT）置 1。

若将 WAVE 位置 1，则会强制 LPTIM 生成置 1 一次波形。

WAVPOL 位控制 LPTIM 输出极性。更改立即生效，因此输出默认值将在极性重新配置后立即更改，甚至会在定时器使能前进行更改。

生成的信号的频率高达 LPTIM 时钟频率 2 分频。 给出了可能在 LPTIM 输出上生成的三种波形。此外，此图还显示了通过 WAVPOL 位更改极性所产生的效果。

生成PWM时序图

32.2.6. ⑥计数器模式

LPTIM 计数器可用于对 LPTIM Input1 上的外部事件进行计数，也可用于对内部时钟周期进行计数。 CKSEL 位和 COUNTMODE 位用于控制将使用哪些源更新计数器。

若使用 LPTIM 对 Input1 上的外部事件进行计数，计数器可在上升沿、下降沿或两种边沿进行更新，具体取决于写入 CKPOL[1:0] 位的值。

根据 CKSEL 和 COUNTMODE 值，可选择以下计数模式

CKSEL = 0： LPTIM 由内部时钟源提供时钟

COUNTMODE = 0

当 LPTIM 由内部时钟源提供时钟，且 LPTIM 计数器根据在 LPTIM 外部 Input1 上检测到的有效边沿进行更新时，不得对提供给 LPTIM 的内部时钟进行预分频（ PRESC[2:0] = “ 000”）。

COUNTMODE = 1

LPTIM 外部 Input1 通过提供给 LPTIM 的内部时钟采样。因此，为了不丢失任何事件，外部 Input1 信号变化的频率决不应超过提供给 LPTIM 的内部时钟的频率。

CKSEL = 1： LPTIM 由外部时钟源提供时钟

COUNTMODE 值不相关

在这种配置下， LPTIM 无需内部时钟源（已使能干扰滤波器时除外）。注入到 LPTIM外部 Input1 的信号用作 LPTIM 的系统时钟。此配置适合未使能任何内置振荡器的工作模式。

对于这种配置， LPTIM 计数器可以在 input1 时钟信号的上升沿或下降沿进行更新，但不可在上升沿和下降沿均更新。

由于注入到 LPTIM 外部 Input1 的信号也可用于 LPTIM 的时钟，计数器递增计数前存在

一些初始延时（使能 PTIM 后）。更确切地说， LPTIM 外部 Input1 的前五个有效边沿将丢失（使能PTIM后）。

32.2.7. ⑦编码器模式

此模式用于处理来自正交编码器的信号，此正交编码器用于检测旋转元件的角度位置。编码器接口模式就相当于带有方向选择的外部时钟。这意味着， 计数器仅在 0 到 LPTIMx_ARR寄存器中编程的自动重载值之间进行连续计数（根据具体方向，从 0 递增计数到 ARR，或从 ARR 递减计数到0）。 因此，在启动前必须先配置 LPTIMx_ARR。通过两个外部输入信号 Input1 和 Input2 生成时钟信号作为 LPTIM 计数器时钟。这两个信号间的相位确定计数方向。

仅当 LPTIM 由内部时钟源提供时钟时才可使用编码器模式。 Input1 和 Input2 输入上的信号频率不得超过 LPTIM 内部时钟频率 4 分频。必须满足此条件才能确保 LPTIM 正常工作。

方向变化由 LPTIMx_ISR 寄存器中的两个递减和递增标志指示。此外，如果通过 LPTIMx_IER寄存器使能，还可为两种方向变化事件产生中断。

要激活编码器模式，必须将 ENC 位置 1。 LPTIM 必须首先配置为连续模式。

当编码器模式激活时， LPTIM 计数器按照增量编码器的速度和方向自动修改。因此，其内容始终代表编码器的位置。计数方向由递增和递减标志指示， 对应于所连传感器的旋转方向。根据使用 CKPOL[1:0] 位配置的边沿敏感性，可得几种不同的计数方案。下表汇总了可能的组合（假设 Input1 和 Input2 不同时切换）。

../_images/LPTIM02.png

下图所示为编码器模式下配置了两种边沿敏感性的计数序列。特别注意在此模式下， LPTIM 必须由内部时钟源提供时钟，因此 CKSEL 位必须保持其复位值 0。 另外，预分频器分频比必须等于其复位值 1（ PRESC[2:0] 位必须为“ 000”）。

编码器模式计数序列

32.3. 定时器初始化结构体详解

初始化结构体和初始化库函数配合使用是HAL库精髓所在，理解了初始化结构体每个成员意义基本上就可以对该外设运用自如。 初始化结构体定义在stm32h7xx_hal_lptim.h中，初始化库函数定义在stm32h7xx_hal_lptim.c c文件中，编程时我们可以结合这两个文件内注释使用。

32.3.1. LPTIM_HandleTypeDef

时基结构体LPTIM_HandleTypeDef用于定时器基础参数设置，与HAL_LPTIM_Init函数配合使用完成配置。

代码清单:LPTIM-1 低功耗定时器基本初始化结构体（stm32h7xx_hal_lptim.h文件）
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typedef struct {
    LPTIM_TypeDef                  *Instance;  //句柄，寄存器基地址
    LPTIM_InitTypeDef              Init;       // LPTIM初始化结构体
    HAL_StatusTypeDef              Status;     // HAL状态
    HAL_LockTypeDef                Lock;       // LPTIM锁定对象
    __IO  HAL_LPTIM_StateTypeDef   State;      // LPTIM 外设状态
} LPTIM_HandleTypeDef;

(1) Instance：定义低功耗定时器外设的基地址，所有寄存器的操作都基于这个基地址操作。

(2) Init：低功耗定时器初始化结构体，用于初始化定时器的参数。

(3) Status：HAL库初始化状态。

(4) Lock：LPTIM锁定对象，开始初始化的时候上锁，结束初始化的时候解锁，避免初始化被打断。

(5) State：LPTIM 外设状态。

32.3.2. LPTIM_InitTypeDef

低功耗定时器初始化结构体LPTIM_InitTypeDef用于定时器基础参数设置，与HAL_LPTIM_Init函数配合使用完成配置。

代码清单:LPTIM-2 定时器基本初始化结构体（stm32h7xx_hal_lptim.h文件）
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typedef struct {
    LPTIM_ClockConfigTypeDef     Clock;  /*!< 配置时钟参数 */
    LPTIM_ULPClockConfigTypeDef UltraLowPowerClock;/*!<配置超低功耗时钟参数 */
    LPTIM_TriggerConfigTypeDef   Trigger;/*!< 配置定时器触发参数 */
    uint32_t      OutputPolarity;/*!< 配置输出极性 */
    uint32_t      UpdateMode;/*!< 配置定时器更新模式 */
    uint32_t      CounterSource;/*!< 配置计数器基于内部或者外部事件触发递增 */
    uint32_t      Input1Source;/*!< 选择外部输入1的时钟来源*/
    uint32_t      Input2Source;/*!< 选择外部输入2的时钟来源 */
} LPTIM_InitTypeDef;

(1) Clock：定时器时钟参数的设置，通过clock结构体配置时钟输入源及分频系数。

(2) UltraLowPowerClock：定时器超低功耗时钟参数的设置， 选择超低功耗时钟源之后改组设置才生效。可设置时钟极性和时钟的采样时间。

(3) Trigger：配置定时器触发参数，配置触发源、触发有效边沿、触发采样时间。

(4) OutputPolarity：配置输出极性。

(5) UpdateMode：配置定时器的更新模式。

(6) CounterSource：配置计数器基于内部或者外部事件触发递增。

(7) Input1Source：选择外部输入1的时钟来源，用于提供LPTIM时钟。

(8) Input1Source：选择外部输入2的时钟来源，只适用于LPTIM1和LPTIM2的编码器模式。

32.4. PWM输出实验

这里我们以PWM输出为例讲解，介绍MCU在低功耗的情况下输出PWM，并通过示波器来观察波形。实验中配置LPTIM输出PWM然后进入停机模式， 这个时候一直会有波形产生，直到按键唤醒退出低功耗模式，然后软件控制停止输出波形。

32.4.1. 硬件设计

根据开发板引脚使用情况，并且参考规格书中引脚信息 ，使用PD13(LPTIM1_OUT)作为本实验的波形输出通道。将示波器的第一个输入通道与PD13引脚短接，用于观察波形，还有注意共地。

为增加低功耗唤醒功能，需要用到按键KEY2。程序我们设置该引脚为下降沿有效，按下按键会产生一个下降沿，程序响应中断，MCU退出低功耗模式恢复正常模式。

32.4.2. 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。 我们创建了两个文件：bsp_lptim.c和bsp_lptim.h文件用来存定时器驱动程序及相关宏定义。

32.4.2.1. 编程要点

(1) 定时器 IO 配置

(2) 定时器时基结构体LPTIM_HandleTypeDef配置

(3) 定时器输出比较结构体LPTIM_InitTypeDef配置

(4) 定时器周期占空比配置

32.4.2.2. 软件分析

宏定义

代码清单:LPTIM-3 宏定义（bsp_lptim.h文件）
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#define LSE                               1
#define LSI                               2
//选择内部时钟的来源
#define LPTIMx_CLK_Source                 LSI

//引脚定义
/*******************************************************/
#define LPTIMx_CLK_ENABLE()               __LPTIM1_CLK_ENABLE()
#define LPTIMx_Instance                   LPTIM1


#define LPTIMx_OUT_GPIO_CLK_ENABLE()      __GPIOD_CLK_ENABLE()
#define LPTIMx_OUT_GPIO_PORT              GPIOD
#define LPTIMx_OUT_PIN                    GPIO_PIN_13
#define LPTIMx_OUT_AF                     GPIO_AF1_LPTIM1

使用宏定义非常方便程序升级、移植。如果使用不同的定时器IO，修改这些宏即可。

定时器复用功能引脚初始化

代码清单:LPTIM-4 定时器复用功能引脚初始化（bsp_lptim.c文件）
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void LPTIM_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    /*开启LPTIM1引脚的时钟*/
    LPTIMx_OUT_GPIO_CLK_ENABLE();
    /*选择按键的引脚*/
    GPIO_InitStructure.Pin = LPTIMx_OUT_PIN;
    /*设置引脚为复用推捖模式*/
    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    /*设置引脚不上拉也不下拉*/
    GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_PULLUP;
    GPIO_InitStructure.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    GPIO_InitStructure.Alternate = LPTIMx_OUT_AF;
    /*使用上面的结构体初始化按键*/
    HAL_GPIO_Init(LPTIMx_OUT_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

定时器通道引脚使用之前必须设定相关参数，这选择复用功能，并指定到对应的定时器。使用GPIO之前都必须开启相应端口时钟。

定时器模式配置

代码清单:LPTIM-5 定时器模式配置（bsp_lptim.c文件）
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void LPTIM_MODE_Config(void)
{

    RCC_PeriphCLKInitTypeDef RCC_PeriphCLKInitStruct;
    uint32_t PeriodValue;
    uint32_t PulseValue;
    RCC_PeriphCLKInitStruct.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_LPTIM1;
    /* 选择LSI时钟作为LPTIM时钟源 */
#if (LPTIMx_CLK_Source == LSI)
    RCC_PeriphCLKInitStruct.Lptim1ClockSelection = RCC_LPTIM1CLKSOURCE_LSI;
    /* 选择LSE时钟作为LPTIM时钟源 */
#elif (LPTIMx_CLK_Source == LSE)
    RCC_PeriphCLKInitStruct.Lptim1ClockSelection = RCC_LPTIM1CLKSOURCE_LSE;
#endif
    HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&RCC_PeriphCLKInitStruct);
    /*开启LPTIM1的时钟*/

    LPTIMx_CLK_ENABLE();
    /* 定义定时器的句柄即确定定时器寄存器的基地址*/
    LPTIM_Handle.Instance = LPTIMx_Instance;
    //选择内部时钟源LPTIM_CLK = LSE=32.768KHz
    LPTIM_Handle.Init.Clock.Source = LPTIM_CLOCKSOURCE_APBCLOCK_LPOSC;
    // 定时器时钟分频系数
    LPTIM_Handle.Init.Clock.Prescaler = LPTIM_PRESCALER_DIV1;
    // 定时器计数源，内部
    LPTIM_Handle.Init.CounterSource = LPTIM_COUNTERSOURCE_INTERNAL;
    // 触发源，软件触发
    LPTIM_Handle.Init.Trigger.Source  = LPTIM_TRIGSOURCE_SOFTWARE;
    // 定时器输出极性
    LPTIM_Handle.Init.OutputPolarity  = LPTIM_OUTPUTPOLARITY_HIGH;
    // 定时器更新方式
    LPTIM_Handle.Init.UpdateMode      = LPTIM_UPDATE_IMMEDIATE;

    HAL_LPTIM_Init(&LPTIM_Handle);
    /*PWM模式配置*/
    /*当定时器从0计数到99，即为100次，
    为一个定时周期PWM周期，32.768KHz/100=327.68Hz*/
    PeriodValue = 100-1;
    /*PWM脉冲为周期一半即50% */
    PulseValue = 50-1;
    HAL_LPTIM_PWM_Start(&LPTIM_Handle, PeriodValue, PulseValue);
}

首先定义低功耗定时器初始化结构体，定时器模式配置函数主要就是对这两个个结构体的成员进行初始化，然后通过相应的初始化函数把这些参数写入定时器的寄存器中。 有关结构体的成员介绍请参考低功耗定时器初始化结构体详解小节。

不同的定时器可能对应不同的时钟源，在使能定时器时钟是必须特别注意。低功耗定时器我们选择LSI作为时钟源，即32KHz。

输出PWM我们只需确定两个参数，PeriodValue为波形周期，这里设置为100，周期为32 KHz/100=32Hz，PulseValue为周期的一半， 即占空比为50%，最后使用库函数HAL_LPTIM_PWM_Start直接产生波形。

低功耗模式输出波形，按键唤醒退出

代码清单:LPTIM-6 LPTIM_PWM_OUT函数（bsp_lptim.c文件）
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void LPTIM_PWM_OUT(void)
{
    LPTIM_GPIO_Config();

    LPTIM_MODE_Config();
    /* 进入低功耗模式 */
    HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
    /* 等待系统被按键KEY2唤醒，退出低功耗模式后停止输出PWM */
    HAL_LPTIM_PWM_Stop(&LPTIM_Handle);
}

首先，初始化定时器的输出引脚，然后配置定时器输出PWM，接着进入低功耗模式，此时示波器可以观察到波形持续输出PWM，直到按键2下才退出低功耗模式， 程序控制停止输出PWM。由于程序会进入低功耗模式，此时再烧录其他程序会提示MCU还没上电启动，这个时候只需要按下按键2即可启动并可以正常烧录。

主函数

代码清单:LPTIM-7 main函数（main.c文件）
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int main(void)
{

    /* 系统时钟初始化成480MHz */
    SystemClock_Config();
    /* 初始化低速时钟为32.768KHz */
    LPTIM_ClockEnable();
    /* 初始化按键GPIO */
    Key_GPIO_Config();
    /* 低功耗定时器在低功耗模式输出PWM */
    LPTIM_PWM_OUT();
    while (1) {

    }
}

首先，调用初始化系统时钟和低速时钟，Key_GPIO_Config函数完成按键引脚初始化配置，该函数定义在bsp_key.c文件中，其中KEY2配置为上升沿中断模式。

接下来，调用LPTIM_PWM_OUT函数完成定时器参数配置，包括定时器复用引脚配置和定时器模式配置， 该函数定义在bsp_advance_tim.c文件中它实际上只是简单的调用TIMx_GPIO_Config函数和TIM_Mode_Config函数。 接着调用HAL_PWR_EnterSTOPMode函数进入低功耗模式，此时会一直输出PWM，知道按键KEY2产生中断才退出低功耗模式， 并使用HAL_LPTIM_PWM_Stop函数停止输出PWM。

32.4.3. 下载验证

根据实验的硬件设计内容接好示波器输入通道和开发板引脚连接。编译实验程序并下载到开发板上，调整示波器到合适参数， 在示波器显示屏看到一路PWM波形。如果按下开发板上KEY2则会退出低功耗模式，PWM波形也会停止输出。

低功耗定时输出PWM