[嵌入式]STM32F4定时器介绍

1. 定时器的种类

从下面这个这个图看出，高级定时器相比于通用定时器，高级在其有“带可编程死区的互补输出”。这在H桥等电机控制场景中十分重要。

• 如何理解死区？通常，大功率电机、变频器等，末端都是由大功率管、IGBT等元件组成的H桥或3相桥。每个桥的上半桥和下半桥是是绝对不能同时导通的，但高速的PWM驱动信号在达到功率元件的控制极时，往往会由于各种各样的原因产生延迟的效果，造成某个半桥元件在应该关断时没有关断，造成功率元件烧毁。死区就是在上半桥关断后，延迟一段时间再打开下半桥或在下半桥关断后，延迟一段时间再打开上半桥，从而避免功率元件烧毁。这段延迟时间就是死区。
  
  
  上图展示了带有可编程死区的互补输出的使用实例。

2. 定时器整体与时钟来源

如上图所示，定时器主要有几个部分组成：最上层的时钟部分，中间的时间计数部分，左下的输入捕获部分和右下的输出比较部分。其中时钟的来源很多，内部时钟是用的最多的，内部时钟一般是来自于APB总线的时钟；ETR(External Trigger)则是来自外部的时钟，ITRx是内部定时器级联的输出，可以用来制作级联定时器。定时器本身有一个预分频器PSC，是需要设置的重要参数之一。

• 下图给出两个级联的实例。左下图使用了三个16bit的定时器组成了一个48bit定时器；而右图实例可以产生三个同步的计时器。很有意思的两个例子。
  
  
  上图展示了我所使用的STM32F411CEU6芯片的时钟配置，其最大主频是100Mhz，重点看右侧的APB1和APB2，每个APB总线都给定时器提供了单独的时钟即APBx Timer clocks。可以总结出一个规律，如果APB的分频系数是/2，则APB的Timer clock的分频系数是x2；如果APB的分频系数是/1，则APB的Timer clock的分频系数是x1。实现的效果就是，Timer的时钟都是100MHz。
  当然，还有一个小细节就是如何确定你的Timer是在哪个总线上的，这个可以通过查询参考手册的一般是第二章总线结构找到。比如本芯片的如下。
  

3. 定时器的计数模式

三种计数模式：向上，向下，向上/向下。这个是比较好理解的，一个小点：

• 计数值的最大值是由自动装载寄存器ARR的值决定的，比如向上计数，从0到ARR，就会产生溢出，从而产生更新事件，触发中断或DMA操作。
  

• 下图展示了STM32CubeMX中配置定时器需要设置的参数。其中，Perscaler是第二小节介绍的定时器时钟分频值。Counter Period则是ARR值。
  

• 其中，auto-reload prelod功能虽然没有使用，但是是一个有意思的功能，其表示如果中途修改了ARR的值，是本次比较的时候就生效呢，还是在下一个比较周期的时候再生效。为1，则代表下个周期再生效，也就是被buffer了一下；为0，则代表本周期就生效，即没有buffer。从上面的描述中的"buffer"字眼，可以知道ARR的值是有一个影子寄存器的！影子寄存器又是什么呢？
  
  影子寄存器实际上才是起作用的那个寄存器，但是这个寄存器并没有开放给用户设置，我们能设置写入的是实际上是预装寄存器里的值，如果auto-reload prelod功能未开启，则预装寄存器的值直接被赋值给了影子寄存器；如果开启了，则一直到出现了一次Update Event（事件更新）后，预装寄存器的值才被赋值给了影子寄存器，从而影子寄存器在下次比较的时候才起作用。
  
  在STM32的相关文档中，如果见到一个寄存器下面带有阴影，则说明其是一个带有影子寄存器的寄存器。
  
  
  在其他资料中，经常使用上面两张图来解释ARPE功能，图141是未开启的时候，可以看到在设置了ARR等于36以后，这个ARR在本次计数周期就生效了；而图152则是开启了ARPE功能，在ARR设置了36以后，并没有马上就起作用，还是原来的值即F5有效，直到本次事件更新后，ARR的值被写入影子寄存器，从而会在下个周期起作用。

4. PWM输出模式

PWM输出功能容易理解，其实就是在计数的基础上增加了一个比较器，设置其数值CCRx，在计数高于该比较值的时候输出高电平或低电平，在计数值低于该值的时候输出相反的电平。
那么在低于比较值的时候输出的是低电平还是高电平呢？取决于下图中相应寄存器的配置，TIMx_CCMR1中的OC1M[2:0]定义了输出比较的模式，如果是在PWM1模式下，低于比较值的时候会输出有效电平；如果是PWM2模式下，低于比较值时会输出无效电平。而有效电平是高还是低则是由TIMx_CCER寄存器中的CC1P位决定，该位为0，则有效电平是高电平；否则，有效电平是低电平。两个寄存器联合作用决定了输出波形长啥样。


在STM32CubeMX中配置的时候，关于PWM的有如上配置，其中Mode配置是PWM模式1还是模式2，CH Polarity配置通道的极性，经测试发现，这个极性的定义与上述 TIMx_CCER寄存器中的CC1P位 是相反的，即定义为High的话则有效电平是高电平；Low的时候有效电平是低电平，这一点尤其需要注意。Pulse值则是CCRx的值。
接下来，让我们再来看看几种有意思的PWM模式吧。

4. 输入捕获模式

输入捕获，稍后更新！

5. 参考

• STM32L4-Timers Advanced-control, general-purpose and basic timers, Revision 2.0
• stm32的互补输出和死区插入: https://blog.csdn.net/u011456016/article/details/70238923
• 影子寄存器： https://zhuanlan.zhihu.com/p/349545023