高级定时器

本节主要介绍以下内容：

定时器简介

高级定时器功能框图讲解

一、定时器简介

定时器功能  ：定时、输出比较、输入捕获、断路输入

定时器分类  ：基本定时器、通用定时器、高级定时器

定时器资源  ：F103有2个高级定时器、4个通用定时器、2个基本定时器

计数器特性：

高级定时器功能简介

• -计数器16bit，上/下/两边 计数，TIM1和TIM8，还有一个重复计数器RCR，独有。
• -有4个GPIO，其中通道1~3还有互补输出GPIO
• -时钟来自PCLK2，为72M，可实现1~65536分频

        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。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 。

STM32F103ZET6 的高级/通用定时器的IO 分配具体见表 

二、 高级定时器功能框图讲解

1-时钟源  2-控制器  3-时基  4-输入捕获  5-输出比较  6-断路功能

2.1 时钟源

1. -内部时钟源CK_INT       
2. -外部时钟模式1—外部的GPIO Tix（x=1 2 3 4）
3. -外部时钟模式2—外部的GPIO ETR
4. -内部触发输入

2.1.1  内部时钟源

1. -内部时钟源来自RCC的TIMx_CLK       72M
2. -TIMx_CLK等于多少呢？如何确定？    72M
3. 具体的查看：RCC时钟树部分

2.1.2 外部时钟1

①时钟信号输入引脚 

1. -外部的GPIO TIx，对应：TIMx_CH1/2/3/4
2. -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

1. -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 ETRP 信号重新采样，来达到降频或者去除高频干扰的目的，2-由TIMx_CCMRx 的位 ICxF[3:0]配置。 

③边沿检测

1. -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。
2. -由 TIMx_CCER 的位 CCxP 和 CCxNP 配置。

 ④触发选择

1. -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）。
2. -由 TIMx_SMCR 的位 TS[2:0]配置。

⑤从模式选择

1. -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。
2. -具体的配置TIMx_SMCR 的位 SMS[2:0]为 000 即可选择外部时钟模式 1。

⑥使能计数器

1. -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。
2. -使能计数器由 TIMx_CR1 的位 CEN 配置。

 2.1.3 外部时钟2

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 

1. -由于 ETRP 的信号的频率不能超过 TIMx_CLK（ 180M）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。
2. -具体的由 TIMx_SMCR 的位 ETPS[1:0]配置。

④滤波器 

1. -如果 ETRP 的信号的频率过高或者混杂有高频干扰信号的，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。
2. -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

1. -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。
2. -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 

1. -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。
2. -使能计数器由 TIMx_CR1 的位 CEN 配置。

2.1.4 内部触发输入 

1. -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。
2. - 由TIMx_SMCR 的位 TS[2:0]配置。

内部触发连接 

TIM1为TIM2提供时钟 

2.2 控制器

1. -控制器就是用来控制的，发送命令的
2. -CR1、CR2、SMCR、CCER，主要学习这几个寄存器即可。

2.3 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)。其中重复计数器RCR
是高级定时器独有，通用和基本定时器没有。前面三个寄存器都是16 位有效，TIMx_RCR
寄存器是8 位有效。

①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：fCK_CNT等于fCK_PSC/(PSC[15:0]+1)，可以实现1 至65536 分频。

②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，在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。

③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。 

④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。 

2.4 输入捕获

        输入捕获可以对输入的信号的上升沿，下降沿或者双边沿进行捕获，常用的测量输入信号的脉宽和测量PWM输入信号的频率和占空比这两种。 

        输入捕获的大概原理就是，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超过你的捕获定时器的周期，就会发生溢出，这个我们需要做额外的处理。

①输入通道
        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，在后
面的捕获讲解中对于要被测量的信号我们都以TIx 为标准叫法。 

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fSAMPLE 可以由fCK_INT 和fDTS 分频后的时钟提供，其中是fCK_INT 内部时钟，fDTS 是fCK_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。

        这里我们要搞清楚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。

2.5 输出比较

        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、将通道X 设置为匹配时输出无效电平、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。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。

在这个半桥驱动电路中，Q1 导通，Q2 截止，此时我想让Q1 截止Q2 导通，肯定是要先让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，因为Q1 关闭需要时间（由MOS 管的工艺决定）。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。下图是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。 

         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。更加详细的IO 说明还请查阅相关的数据手册。

2.6 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：

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

2.7 输入捕获应用

        输入捕获一般应用在两个方面，一个方面是脉冲跳变沿时间测量，另一方面是PWM输入测量。

2.7.1 测量脉宽或者频率

①测量频率

        当捕获通道TIx 上出现上升沿时，发生第一次捕获，计数器CNT 的值会被锁存到捕获到寄存器CCR 中，而且还会进入捕获中断，在中断服务程序中记录一次捕获（可以用一个标志变量来记录），并把捕获寄存器中的值读取到value1 中。当出现第二次上升沿时，发生第二次捕获，计数器CNT的值会再次被锁存到捕获寄存器CCR中，并再次进入捕获中断，在捕获中断中，把捕获寄存器的值读取到value3 中，并清除捕获记录标志。利用value3 和value1 的差值我们就可以算出信号的周期（频率）。

②.测量脉宽

        当捕获通道TIx 上出现上升沿时，发生第一次捕获，计数器CNT 的值会被锁存到捕获寄存器CCR 中，而且还会进入捕获中断，在中断服务程序中记录一次捕获（可以用一个标志变量来记录），并把捕获寄存器中的值读取到value1 中。然后把捕获边沿改变为下降沿捕获，目的是捕获后面的下降沿。当下降沿到来的时候，发生第二次捕获，计数器CNT 的值会再次被锁存到捕获寄存器CCR 中，并再次进入捕获中断，在捕获中断中，把捕获寄存器的值读取到value3 中，并清除捕获记录标志。然后把捕获边沿设置为上升沿捕获。

        在测量脉宽过程中需要来回的切换捕获边沿的极性，如果测量的脉宽时间比较长，定时器就会发生溢出，溢出的时候会产生更新中断，我们可以在中断里面对溢出进行记录处理。