單片機開發中，電機的控制與定時器有著密不可分的關系，無論是直流電機，步進電機還是舵機，都會用到定時器，比如最常用的有刷直流電機，會使用定時器產生PWM波來調節轉速，通過定時器的正交編碼器接口來測量轉速等。

本篇先介紹定時器的基礎知識，然后對照這些知識介紹一下定時器輸出PWM的基本原理，以及編程實現與代碼分析。

首先來看一下定時器的基礎介紹。

1 定時器基礎知識

1.1 定時器種類

以STM32F4為例，一共有14個定時器：

• 高級定時器（TIM1、TIM8）

• 通用定時器（TIM2~TIM5，TIM9~TIM14）

  • TIM2~TIM5（通用定時器里功能較多的）

  • TIM9/TIM12

  • TIM10/TIM11和TIM13/TIM14

• 基本定時器 (TIM6、TIM7)

1.2 各種定時器的特性

1.2.1 高級定時器與通用定時器

這里列舉高級定時器的特性，在此基礎上，對比添加其與通用定時器的不同之處：

• 16 位遞增、遞減、遞增/遞減自動重載計數器（TIM2 和 TIM5為32位）

• 16 位可編程預分頻器，用于對計數器時鐘頻率進行分頻（即運行時修改），分頻系數介于 1 到 65536 之間。

• 多達 4 個獨立通道（TIM9/TIM12有2個，TIM10/TIM11，TIM13/TIM14只有1個），可用于：

  • 輸入捕獲

  • 輸出比較

  • PWM 生成（邊沿和中心對齊模式）（高級定時器和TIM2~TIM5特有，其它是只有邊沿對齊模式）

  • 單脈沖模式輸出

• 帶可編程死區的互補輸出（高級定時器特有）。

• 使用外部信號控制定時器且可實現多個定時器互連的同步電路（TIM10/TIM11，TIM13/TIM14沒有）。

• 重復計數器，用于僅在給定數目的計數器周期后更新定時器寄存器（高級定時器特有）。

• 用于將定時器的輸出信號置于復位狀態或已知狀態的斷路輸入（高級定時器特有）。

• 發生如下事件時生成中斷/DMA 請求：

  • 更新：計數器上溢/下溢、計數器初始化（通過軟件或內部/外部觸發）

  • 觸發事件（計數器啟動、停止、初始化或通過內部/外部觸發計數）（TIM10/TIM11和TIM13/TIM14沒有此功能）

  • 輸入捕獲

  • 輸出比較

  • 斷路輸入（高級定時器特有）

• 支持定位用增量（正交）編碼器和霍爾傳感器電路（高級定時器和TIM2~TIM5特有）。

• 外部時鐘觸發輸入或逐周期電流管理（高級定時器和TIM2~TIM5特有）。

1.2.2 基本定時器

基本定時器 (TIM6、TIM7）的功能比較單一，所具有的功能如下：

• 16 位自動重載遞增計數器

• 只能定時，沒有外部 IO

• 16 位可編程預分頻器，用于對計數器時鐘頻率進行分頻（即運行時修改），分頻系數 介于 1 和 65536 之間

• 用于觸發 DAC 的同步電路

• 發生如下更新事件時會生成中斷/DMA 請求：計數器上溢

1.3 定時器使用配置

使用定時器，一般需要配置如下：

• 時基：也就是計數器的計數時鐘

• 自動重裝載值：每次計數的最大值

• 輸出通道：當需要使用定時器輸出某種波形時（如PWM）

• 輸入通道：當需要使用定時器接收某種波形時（如電機編碼器信號）

先來看一下定時器的原理框圖，對定時器的內部原理有一個整體直觀的感受：

1.3.1 時鐘源

從上圖可以看出，計數器的時鐘源可以為：

• 由RCC的內部時鐘分頻得到

• 由定時器的TIMx_ETR引腳得到

• 由其他定時器通過TRGO輸出得到

一般使用RCC的內部時鐘CK_INT，也即定時器時鐘TIMxCLK，經APB1或APB2預分頻器后分頻提供。

關于定時器時鐘源的具體細節，可以來看一下STM32F4的時鐘樹：

從STM32F4的內部時鐘樹可知：

• 高級定時器timer1, timer8以及通用定時器timer9, timer10, timer11的時鐘來源是APB2總線(84MHZ)

• 通用定時器timer2~timer5，通用定時器timer12~timer14以及基本定時器timer6,timer7的時鐘來源是APB1總線(42MHZ)

另外：

• 當APB1和APB2分頻數為1的時候，各定時器的時鐘就是對應的APB1或APB2的時鐘；

• 如果APB1和APB2分頻數不為1，那么各定時器的時鐘就是對應的APB1或APB2的時鐘的2倍；

  由于庫函數中 APB1 預分頻的系數默認是 2，所以，所以TIM1、TIM8~TIM11的時鐘為APB2時鐘的兩倍即168MHz，TIM2~TIM7、TIM12~TIM14的時鐘為APB1的時鐘的兩倍即84MHz。

1.3.2 計數器時鐘

由于定時器時鐘的提供的可以頻率較高，計數器不需要這么高的頻率來計數，所以會進行降頻，使用一個合適的低頻時鐘來計數。

定時器時鐘經過PSC 預分頻器之后，即 CK_CNT，用來驅動計數器計數。PSC 是一個16 位的預分頻器，可以對定時器時鐘TIMxCLK 進行 1~65536 之間的任何一個數進行分頻。

具體計算方式為：CK_CNT=TIMxCLK/（PSC+1）。

比如，使用STM32F4的通用定時器2（TIM2CLK為APB1的時鐘的兩倍即84MHz），PSC設置為83，則計數時鐘為84MHz/(83+1)=1MHz，即1ms計一個數。

1.3.3 計數器

計數器 CNT 是一個 16 位的計數器，只能往上計數，最大計數值為 65535。當計數達到自動重裝載寄存器的時候產生更新事件，并清零從頭開始計數。

1.3.4 自動重裝載寄存器

自動重裝載寄存器 ARR 是一個 16 位的寄存器，這里面裝著計數器能計數的最大數值。當計數到這個值的時候，如果使能了中斷的，定時器就產生溢出中斷。

2 定時器輸出PWM原理

如下圖是PWM輸出的原理示意圖：

假設定時器工作模式設置為向上計數 PWM模式，且當 CNT=CCRx 時輸出 0，則：

• 當 CNT 值小于 CCRx 的時候， IO 輸出高電平 (1)

• 當 CNT 值大于等于 CCRx 的時候，IO 輸出低電平 (0)

• 當 CNT 達到 ARR 值的時候，重新歸零，然后重新向上計數，依次循環。

因此，改變 CCRx 的值，就可以改變 PWM 輸出的占空比，改變 ARR 的值，就可以改變 PWM 輸出的周期（頻率），這就是利用定時器輸出PWM 的基本原理。

3 定時器常用的寄存器

使用定時器來輸出PWM時，需要對其寄存器進行相應的設置。定時器的寄存器有好多個，這里先介紹幾個與輸出PWM相關的幾個寄存器，其它是寄存器以后用到時再介紹。

3.1 控制寄存器CR1

控制寄存器，就是來設置定時的工作模式：

• 位 15:10 保留，必須保持復位值。

• 位 9:8 CKD：時鐘分頻 (Clock division) 此位域指示定時器時鐘 (CK_INT) 頻率與數字濾波器所使用的采樣時鐘（ETR、TIx）之間的分頻比，

• 位 7 ARPE：自動重載預裝載使能 (Auto-reload preload enable)

  • 0：TIMx_ARR 寄存器不進行緩沖

  • 1：TIMx_ARR 寄存器進行緩沖

• 位 6:5 CMS：中心對齊模式選擇 (Center-aligned mode selection)，包括1種邊沿對齊模式與3種中心對齊模式

• 位 4 DIR：計數器方向 (Direction)，0為遞增計數，1為遞減計數。

  注： 當定時器配置為中心對齊模式或編碼器模式時，該位為只讀狀態。

• 位 3 OPM：單脈沖模式 (One-pulse mode)

• 位 2 URS：更新請求源 (Update request source)

  此位由軟件置 1 和清零，用以選擇 UEV 事件源。

• 位 1 UDIS：更新禁止 (Update disable) 此位由軟件置 1 和清零，用以使能/禁止 UEV 事件生成。

• 位 0 CEN：計數器使能 (Counter enable)，0為禁止計數器，1為使能計數器

  只有事先通過軟件將 CEN 位置 1，才可以使用外部時鐘、門控模式和編碼器模式。而觸發模式可通過硬件自動將 CEN 位置 1。在單脈沖模式下，當發生更新事件時會自動將 CEN 位清零。

3.2 捕獲/比較模式寄存器CCMR1

這些通道可用于輸入（捕獲模式）或輸出（比較模式）模式。通道方向通過配置相應的 CCxS 位進行定義。此寄存器的所有其它位在輸入模式和輸出模式下的功能均不同。對于任一給定位

• OCxx 用于說明通道配置為輸出時該位對應的功能

• ICxx 則用于說明通道配置為輸入時 該位對應的功能

因此，必須注意同一個位在輸入階段和輸出階段具有不同的含義。

這里僅先介紹輸出模式下的功能：

• 位 15 OC2CE：輸出比較 2 清零使能 (Output compare 3 clear enable)

• 位 14:12 OC2M[2:0]：輸出比較 2 模式 (Output compare 2 mode)

• 位 11 OC2PE：輸出比較 2 預裝載使能 (Output compare 2 preload enable)

• 位 10 OC2FE：輸出比較 2 快速使能 (Output compare 2 fast enable)

• 位 9:8 CC2S[1:0]：捕獲/比較 2 選擇 (Capture/Compare 2 selection) 參考下面的CC1S通道1

• 位 7 OC1CE：輸出比較 1 清零使能 (Output compare 3 clear enable)

  OC1CE：輸出比較 1 清零使能 (Output Compare 1 Clear Enable)

  • 0：OC1Ref 不受 ETRF 輸入影響

  • 1：ETRF 輸入上檢測到高電平時， OC1Ref 立即清零。

• 位 6:4 OC1M：輸出比較 1 模式 (Output compare 1 mode) 一共可配置位7種模式，這里僅介紹2種：

  • 110：PWM 模式 1––在遞增計數模式下，只要 TIMx_CNTTIMx_CCR1，通道 1 便為無效狀態 (OC1REF=0)，否則為有效狀態 (OC1REF=1)。

  • 111：PPWM 模式 2––在遞增計數模式下，只要 TIMx_CNTTIMx_CCR1，通道 1 便為有效狀態，否則為無效狀態。

• 位 3 OC1PE：輸出比較 1 預裝載使能 (Output compare 1 preload enable)

  • 0：禁止與 TIMx_CCR1 相關的預裝載寄存器?？呻S時向 TIMx_CCR1 寫入數據，寫入后將立即使用新值。

  • 1：使能與 TIMx_CCR1 相關的預裝載寄存器?？勺x/寫訪問預裝載寄存器。TIMx_CCR1 預裝載值在每次生成更新事件時都會裝載到活動寄存器中。

• 位 2 OC1FE：輸出比較 1 快速使能 (Output compare 1 fast enable)

  此位用于加快觸發輸入事件對 CC 輸出的影響（僅當通道配置為 PWM1 或 PWM2 模式時，OCFE 才會起作用）。

  • 0：即使觸發開啟，CC1 也將根據計數器和 CCR1 值正常工作。觸發輸入出現邊沿時，激活CC1 輸出的最短延遲時間為 5 個時鐘周期。

  • 1：觸發輸入上出現有效邊沿相當于 CC1 輸出上的比較匹配。隨后，無論比較結果如何，OC 都設置為比較電平。采樣觸發輸入和激活 CC1 輸出的延遲時間縮短為 3 個時鐘周期。

• 位 1:0 CC1S[1:0]：捕獲/比較 1 選擇 (Capture/Compare 1 selection)

• 此位域定義通道方向（輸入/輸出）以及所使用的輸入。

  • 00：CC1 通道配置為輸出。

  • 01：CC1 通道配置為輸入，IC1 映射到 TI1 上。

  • 10：CC1 通道配置為輸入，IC1 映射到 TI2 上。

  • 11：CC1 通道配置為輸入，IC1 映射到 TRC 上。此模式僅在通過 TS 位（TIMx_SMCR 寄存器）選擇內部觸發輸入時有效

    注： 僅當通道關閉時（TIMx_CCER 中的 CC1E = 0），才可向 CC1S 位寫入數據。

3.3 計數器CNT

計數器的功能很單一，就是計數：

• 位 15:0 CNT[15:0]：計數器值 (Counter value)

3.4 預分頻器PSC

預分頻器的功能也很單一，就是分頻：

• 位 15:0 PSC[15:0]：預分頻器值 (Prescaler value)

  計數器時鐘頻率 CK_CNT 等于 fCK_PSC / (PSC[15:0] + 1)。

  PSC 包含在每次發生更新事件時要裝載到實際預分頻器寄存器的值。

3.5 自動重裝載寄存器ARR

自動重裝載寄存器的功能也很單一，就是保存一個數，在計數滿的時候，重新開始計數

• 位 15:0 ARR[15:0]：自動重載值 (Auto-reload value)

  ARR 為要裝載到實際自動重載寄存器的值。

  當自動重載值為空時，計數器不工作。

3.6 捕獲/比較寄存器CCR

自動重裝載寄存器的功能也很單一，也是保存一個數，用于與當前的CNT進行比較，注意 TIM2 和 TIM5是32位計數。

以CCR1寄存器（一共有CCR1~CCR4這4個通道）為例：

• 位31:16 CCR1[31:16]：捕獲/比較 1 的高 16 位（對于 TIM2 和 TIM5）。

• 位15:0 CCR1[15:0]：捕獲/比較 1 的低 16 位 (Low Capture/Compare 1 value)

  • 如果通道 CC1 配置為輸出： CCR1 是捕獲/比較寄存器 1 的預裝載值。 如果沒有通過 TIMx_CCMR寄存器中的OC1PE 位來使能預裝載功能，寫入的數值會被直接傳輸至當前寄存器中。否則只在發生更新事件時生效（拷貝到實際起作用的捕獲/ 比較寄存器1）。 實際捕獲/比較寄存器中包含要與計數器 TIMx_CNT進行比較并在 OC1 輸出上發出信號的值。

  • 如果通道 CC1 配置為輸入： CCR1 為上一個輸入捕獲 1 事件 (IC1) 發生時的計數器值。

4 代碼實現與分析

上面介紹了定時器的基礎知識與PWM的輸出原理，下面就來實際看一下，如何編寫對應的代碼（以STM32F407為例）。

4.1 定時器初始化

定時器的初始化，因為需要用到對應的引腳輸出PWM，因此要先初始化GPIO引腳，然后，還要初始化定時器的時基（計數的時鐘）以及輸出通道（用于配置PWM的輸出模式）。

4.1.1 復用引腳初始化

這里用到的是定時器3，根據STM32F407的數據手冊“3 Pinouts and pin description”中的“Table 9. Alternate function mapping”復用引腳說明表，可以看到定時器3通道1對應的引腳位A6:

因此程序中對A6引腳可以這樣配置，注意一定要配置引腳的復用功能：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /*引腳配置 結構體*/

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); //使能PORTA時鐘 
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_TIM3); /*GPIOA6復用為定時器3*/

/*復用引腳配置*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;      //GPIOA6
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;    /*復用功能*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;   //推挽復用輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;    //上拉
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);        //初始化PA6

4.1.2 時基初始化

時基初始化，主要是配置定時器的計數頻率（psc）和自動重裝置值（每次計數的周期，arr），比如TIM3_PWM_Init(500-1,84-1);

（關于psc與arr的知識點，可以再回顧一下上面1.3節的知識）

這里將arr的值設置為500，即計數器每計夠500個數就會重新從0開始計數，這個500再乘以計數器計數的周期，就是PWM真正的周期，那計數器計數的頻率是多少呢（頻率的倒數為周期）？

這里將psc的值設置為84-1，即TIM3的輸入頻率為84MHz再將頻率降低1/84，即使用1MHz的頻率計數（1s能計1,000,000個數，也即1us計1個數），那么PWM的真正周期就是500*1us=500us(0.5ms)，通過改變占空比的值（ccr）,就可以調節PWM的輸出占空比。

時基初始化配置如下：

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; /*時基 結構體*/

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);  //TIM3時鐘使能  

/*時基初始化*/
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;           /*ARR 自動重裝載值(周期)，例如500*/
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;         /*PSC 定時器分頻，例如84*/
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;   /*時鐘分割*/
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; /*向上計數模式*/
TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseStructure);      /*初始化定時器3*/

最后一句的時基初始化，起始就是對定時的寄存器進行配置，該函數的內部實現如下：

void TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStruct)
{
 uint16_t tmpcr1 = 0;
 tmpcr1 = TIMx->CR1; 

 if((TIMx == TIM1) || (TIMx == TIM8)|| /*高級定時器TIM和TIM8*/
   (TIMx == TIM2) || (TIMx == TIM3)||(TIMx == TIM4) || (TIMx == TIM5)) /*通用定時器中的TIM2~TIM5*/
 {
  /* 設置為計數器模式 */
  tmpcr1 &= (uint16_t)(~(TIM_CR1_DIR | TIM_CR1_CMS));
  tmpcr1 |= (uint32_t)TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_CounterMode;
 }
 
 if((TIMx != TIM6) && (TIMx != TIM7)) /*基本定時器TIM6和TIM7無此功能*/
 {
  /* 設置時鐘分頻 */
  tmpcr1 &= (uint16_t)(~TIM_CR1_CKD);
  tmpcr1 |= (uint32_t)TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_ClockDivision;
 }

 /* 配置CR1寄存器 */
 TIMx->CR1 = tmpcr1;

 /* 配置ARR寄存器，設置自動重轉載值 */
 TIMx->ARR = TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_Period ;
 
 /* 配置PSC寄存器，設置預分頻值 */
 TIMx->PSC = TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_Prescaler;
  
 if ((TIMx == TIM1) || (TIMx == TIM8)) /*高級定時器TIM和TIM8*/
 {  /* 配置RCR寄存器，設置重復計數值 */
   TIMx->RCR = TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_RepetitionCounter;
 }

 /* 生成一個更新事件來立即重新加載預分頻器和重復計數器(僅針對高級定時器TIM1和TIM8)值 */
 TIMx->EGR = TIM_PSCReloadMode_Immediate;     
}

4.1.3 輸出通道初始化

輸出通道初始化，主要是配置輸出的一些參數，這里主要關注TIM_OCMode（模式）與TIM_OCPolarity（極性），這兩個參數是配合使用的：

• PWM模式1

  • 向上計數時，一旦TIMx_CNT時通道1為有效電平，否則為無效電平；

  • 向下計數時，一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1時通道1為無效電平，否則為有效電平。

• PWM模式2

  • 向上計數時，一旦TIMx_CNT時通道1為無效電平，否則為有效電平；

  • 向下計數時，一旦TIMx_CNT>TIMx_CCR1時通道1為有效電平，否則為無效電平。

這里的有效電平又是什么意思呢？怎么算有效電平？它就是通過極性來配置的：

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; /*輸出通道 結構體*/

/*輸出通道初始化，初始化TIM3 Channel1 PWM模式*/ 
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;       /*選擇定時器模式:TIM脈沖寬度調制模式1*/
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比較輸出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;   /*輸出極性:TIM輸出比較極性高*/
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);            //根據指定的參數初始化外設TIM3 OC1

TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); /*使能TIM3在CCR1上的預裝載寄存器*/
TIM_ARRPreloadConfig(TIM3,ENABLE);/*ARPE使能：使能控制寄存器CR的第8位：ARPR, Auto-reload preload enable*/
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); /*使能TIM3：使能控制寄存器CR的第0位：CEN, counter enable*/

void TIM_OC1Init(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct)
{
 uint16_t tmpccmrx = 0, tmpccer = 0, tmpcr2 = 0;
 TIMx->CCER &= (uint16_t)~TIM_CCER_CC1E;/* 關閉通道1: 復位CC1E位 */
 
 tmpccer = TIMx->CCER;/* 獲取 TIMx CCER 寄存器的值 */
 tmpcr2 = TIMx->CR2; /* 獲取 TIMx CR2 寄存器的值 */

 tmpccmrx = TIMx->CCMR1;/* 獲取TIMx CCMR1 寄存器的值 */
 tmpccmrx &= (uint16_t)~TIM_CCMR1_OC1M;  /* 復位輸出比較模式OC1M位 */
 tmpccmrx &= (uint16_t)~TIM_CCMR1_CC1S;
 tmpccmrx |= TIM_OCInitStruct->TIM_OCMode;/* 設置為輸出比較模式 */
 
 tmpccer &= (uint16_t)~TIM_CCER_CC1P;     /* 復位輸出極性CC1P */
 tmpccer |= TIM_OCInitStruct->TIM_OCPolarity; /* 設置輸出極性 */
 tmpccer |= TIM_OCInitStruct->TIM_OutputState; /* 設置輸出狀態 */
  
 if((TIMx == TIM1) || (TIMx == TIM8)) /*高級定時器的特殊配置*/
 {
  //省略。。。
 }
 
 TIMx->CR2 = tmpcr2;   /* 寫數據到TIMx的CR2寄存器 */
 TIMx->CCMR1 = tmpccmrx; /* 寫數據到TIMx的CCMR1寄存器 */
 TIMx->CCR1 = TIM_OCInitStruct->TIM_Pulse;/* 設置CCR1寄存器 */
 TIMx->CCER = tmpccer; /* 寫數據到TIMx的CCER寄存器 */
}

u16 led0pwmval=0;  
u8 dir=1;
TIM3_PWM_Init(500-1,84-1); //84M/84=1Mhz的計數頻率,重裝載值500，所以PWM頻率為 1M/500=2Khz. 
while(1) //實現比較值從0-500遞增，到500后從500-0遞減，循環
{
  delay_ms(10);

  if(dir)
  {
    led0pwmval+=5; //dir==1 led0pwmval遞增
  }
  else 
  {
    led0pwmval-=5; //dir==0 led0pwmval遞減 
  }
  if(led0pwmval>500)
  {
    dir=0;     //led0pwmval到達500后，方向為遞減
  }
  if(led0pwmval==0)
  {
    dir=1;    //led0pwmval遞減到0后，方向改為遞增
  }

  TIM_SetCompare1(TIM3,led0pwmval); /*CCR 修改比較值（占空比）*/
}