01-标准库开发-STM32定时器

🕗 发布于 2024-12-07 20:44 stm32 单片机 嵌入式硬件

一、GPIO介绍

前言

该笔记硬件为STM32F103RCT6，使用标准库函数进行开发。

1.1 GPIO口的介绍

在STM32等微控制器的GPIO（通用输入输出）配置中，这些模式用于定义GPIO引脚的电气特性和功能。每种模式都对应着不同的应用场景和电路要求。下面是对您列出的各种模式的解释：

GPIO_Mode_AIN (0x0):
- 模拟输入模式（Analog Input）。在此模式下，GPIO引脚被配置为模拟信号输入，用于读取外部模拟信号（如温度传感器的输出）。该模式关闭了引脚的数字输出功能，使其仅作为模拟信号路径使用。
GPIO_Mode_IN_FLOATING (0x04):
- 浮空输入模式（Floating Input）。此模式下，GPIO引脚既不上拉也不下拉，其电平状态完全由外部电路决定。这种模式适用于需要检测外部高阻态信号的情况，但也可能因为外部噪声而导致引脚电平不稳定。
GPIO_Mode_IPD (0x28):
- 下拉输入模式（Input Pull-Down）。此模式下，GPIO引脚通过一个内部电阻下拉到地，即使外部没有连接，引脚也保持低电平。这有助于在外部信号不确定时，保持引脚状态的稳定性。
GPIO_Mode_IPU (0x48):
- 上拉输入模式（Input Pull-Up）。与下拉输入相反，此模式下GPIO引脚通过一个内部电阻上拉到电源（通常是3.3V或5V），即使外部没有连接，引脚也保持高电平。这同样有助于在外部信号不确定时，保持引脚状态的稳定性。
GPIO_Mode_Out_OD (0x14):
- 开漏输出模式（Open-Drain Output）。此模式下，GPIO引脚可以作为开漏输出使用，允许外部电路通过该引脚控制一个共阳极的LED或其他设备。由于引脚只能拉低电平（通过接地），因此需要外部上拉电阻才能输出高电平。
GPIO_Mode_Out_PP (0x10):
- 推挽输出模式（Push-Pull Output）。这是最常用的输出模式，引脚可以直接输出高电平或低电平，驱动能力强，适用于直接驱动LED、继电器等负载。
GPIO_Mode_AF_OD (0x1C):
- 复用开漏输出模式（Alternate Function Open-Drain Output）。此模式下，GPIO引脚被配置为特定的复用功能（如SPI、I2C等），并以开漏方式输出。这允许GPIO引脚在执行这些特殊功能时，与外部电路灵活连接。
GPIO_Mode_AF_PP (0x18):
- 复用推挽输出模式（Alternate Function Push-Pull Output）。与复用开漏输出类似，但在此模式下，GPIO引脚以推挽方式输出其复用功能的信号，驱动能力强，适用于需要较强驱动能力的复用功能场景。

这些模式的选择取决于您的具体应用场景和电路设计需求。

1.2 点亮LED灯

硬件图如图：
在这里插入图片描述

1.3 实现步骤

1、使能时钟

2、配置GPIO

二、时钟树STM32时钟系统

2.1 晶振

2.2 SysTick

是一个24位的系统定时器，并且向下计数，计数到0之后会更新计数。

SysTick是一个24位的递减计数器，它可以自动重载并在计数到0时产生中断。这使得SysTick非常适合用于需要精确时间控制的应用场景，如操作系统的时间片轮转、精确延时等。SysTick定时器使用内部时钟源或外部时钟源，通过配置控制与状态寄存器（STK_CTRL）来实现不同的工作模式。

2.3 主要功能位

ENABLE（位0）：
- 功能：使能SysTick计数器。当此位被设置为1时，SysTick计数器开始递减计数；当此位被设置为0时，计数器停止工作。
- 使用方法：在需要启动SysTick定时器时，将此位设置为1；在不需要时，将其设置为0以节省资源。
TICKINT（位1）：
- 功能：使能SysTick中断。当此位被设置为1时，如果SysTick计数器递减到0，将产生一个SysTick中断；如果此位被设置为0，则即使计数器递减到0也不会产生中断。
- 使用方法：在需要SysTick定时器在计数到0时产生中断时，将此位设置为1；如果不需要中断，则将其设置为0。
CLKSOURCE（位2）：
- 功能：选择SysTick定时器的时钟源。当此位被设置为0时，SysTick使用外部参考时钟；当此位被设置为1时，SysTick使用内核时钟（通常是AHB时钟的某个分频值）。
- 使用方法：根据具体的应用需求选择合适的时钟源。在大多数情况下，使用内核时钟并配置合适的分频值以获得所需的计时精度。
COUNTFLAG（位16）：
- 功能：这是一个只读的状态位，用于指示SysTick计数器是否已经递减到0。当SysTick计数器从非零值递减到0时，此位被自动设置为1；当此位被读取后，它会被自动清零。
- 使用方法：在中断服务例程或延时函数中，可以通过检查此位来判断SysTick计数器是否已经递减到0，从而进行相应的处理。

三、TIM定时器

计算公式 =

计数器的计数频率＝72*10^6 /分频系数(PSC)

频率 = 计数频率/ ARR（重装载值）

所以：定时器频率 = 时钟频率/分频系数(PSC - 1) / 自动重装载值(ARR - 1)

3.1 定时器中断

定时器中断,我们的步骤一般为，使能TIMx.

设置内部时钟

配置定时器中断（TIM_ITConfig）

启动定时器(TIM_Cmd)

由图我们可以知道：
APB1总线负责连接低速外设，如DA（数字模拟转换器）、USB、SPI、I2C、CAN、串口（USART 2、3、4、5）以及普通定时器（TIM2至TIM5等）。而APB2总线则通常负责连接高速外设，如AD（模拟数字转换器）、I/O端口、高级定时器（TIM1和TIM8等）以及串口1（USART1）
在这里插入图片描述

3.1.1 示例代码：

void Timer_Init(u16 arr,u16 psc)
{
// 时基结构体
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
// NVIC初始化结构体
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;

// 使能APB1外设
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6,ENABLE);
// 设置为内部时钟 72M
TIM_InternalClockConfig(TIM6);
// 时基初始化

TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr - 1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc - 1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM6,&TIM_TimeBaseInitStructure);

// 配置定时器6中断
TIM_ITConfig(TIM6,TIM_IT_Update,ENABLE);
// 配置NVIC
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM6_IRQn;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; // 抢占优先级
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; // 次要优先级
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

// 启动定时器
TIM_Cmd(TIM6,ENABLE);
}

3.2 定时器输出比较(PWM)

在STM32中，提供了强大的定时器和输出比较（Output Compare, OC）功能，允许开发者通过比较计数器的值（CNT）与捕获/比较寄存器（CCR）的值，来控制输出电平的翻转，从而生成一定频率和占空比的PWM（脉冲宽度调制）波形。输出比较功能广泛应用于电机控制、LED呼吸灯、舵机控制等领域。

3.2.1 基本原理

输出比较功能的基本原理是通过比较CNT与CCR的值来控制输出电平的状态。每个高级定时器和通用定时器都内置了4个输出比较通道，而高级定时器的前3个通道还额外具备死区生成和互补输出的功能。当CNT的值与CCR的值相匹配时，可以根据设定的输出比较模式来切换输出电平（置1、置0或翻转）。

3.2.2 PWM波的生成

PWM波形是通过调制一系列脉冲的宽度来等效地获得所需要的模拟参量。在STM32中，PWM参数主要包括频率、占空比和分辨率。

频率（Freq）：表示每秒产生的PWM周期数，计算公式为Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)，其中CK_PSC为预分频时钟频率，PSC为预分频数，ARR为自动重装载寄存器值。
占空比（Duty）：表示每个PWM周期内高电平持续的时间占比，计算公式为Duty = CCR / (ARR + 1)。
分辨率（Rese）：表示占空比可以变化的最小步距，计算公式为Rese = 1 / (ARR + 1)。

3.2.3 初始化步骤

要使用STM32的输出比较功能生成PWM波形，通常需要执行以下步骤：

开启时钟：首先需要使能定时器和GPIO端口的时钟。
配置时基单元：包括时钟源选择、预分频器、自动重装载计数器等。
配置输出比较单元：设置CCR值、输出比较模式、极性选择、输出使能等参数。
启动定时器：启动定时器以开始生成PWM波形。

3.2.4 关键函数和结构体

在STM32标准外设库中，有几个关键的函数和结构体用于配置和管理输出比较功能：

TIM_OCInitTypeDef：这是一个结构体，用于配置输出比较参数，包括输出比较模式（TIM_OCMode）、输出状态（TIM_OutputState）、输出极性（TIM_OCPolarity）和脉冲值（TIM_Pulse，即CCR寄存器的值）。
TIM_OCxInit()：这些函数用于初始化指定定时器（TIMx）的输出比较通道（OCx），其中x表示通道号（1至4）。
TIM_SetComparex()：这些函数用于设置指定定时器（TIMx）的某个输出比较通道（OCx）的CCR值，从而调整PWM的占空比。
TIM_OCxPolarityConfig()：这些函数用于配置输出比较通道的极性。
TIM_ForcedOCxConfig()：这些函数用于配置强制输出模式，可以立即将输出电平设置为高或低。

3.2.5 关键示例代码

该代码由于硬件接线问题，采用高级定时器实现，PWM波形，实现呼吸灯。

void PWM_Init(u16 ARR,u16 PSC,u16 CRR)
{

// 时基结构体
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
// 使能APB2外设
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1|RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);

// 初始化GPIOA
GPIO_InitTypeDef InitStruct;
InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; // 复用推挽输出，输出寄存器控制转为片上外设
InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&InitStruct);
//GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_8);

// 设置为内部时钟 72M
TIM_InternalClockConfig(TIM1);
// 时基初始化
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = ARR - 1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = PSC - 1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM_TimeBaseInitStructure);

// 配置输出比较初始化
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;
TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStruct);
TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; // PWM1在低于比较值时有效
TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity  = TIM_OCPolarity_Low; // 有效电平
TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; // 输出使能
TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = CRR; // CRR的值
TIM_OC1Init(TIM1,&TIM_OCInitStruct);

// 启动定时器
TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);

  /* 使能TIMx在CCRx上的预装载寄存器 */
TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);

/* 使能TIMx在ARRx上的预装载寄存器 */
TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE);

/* 高级定时器需要配置：设置MOE位以使能主输出 */
TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);
}

void PWM_SetCompare1(u16 Compare)
{
TIM_SetCompare1(TIM1,Compare);
}

3.3 定时器输出捕获（IC）

输入捕获（Input Capture, IC）是STM32定时器的一个重要功能，主要用于测量外部信号的频率、周期、占空比等时间参数。STM32中的输入捕获功能，包括其原理、配置方法以及应用实例，帮助读者深入理解并掌握这一功能。

3.3.1 基本原理

输入捕获是STM32定时器的一种工作模式，其主要作用是当外部信号在特定引脚上发生边沿变化（如上升沿或下降沿）时，记录下当前定时器的计数值。这些计数值可以用于后续的时间参数计算，如脉冲宽度、周期等。输入捕获功能在电机控制、传感器信号处理等领域有着广泛的应用。

3.3.2 频率测量方法

测频法：在闸门时间T内，对上升沿计次，得到N,则频率f = N / T
测周法：在两个上升沿内，对标准频率fc计次，得到N，则频率f = fc / N
中界频率：测频法和测周法误差相等的频率点fm = 根号(fc/T)

3.3.3 基本流程

信号输入：外部信号通过STM32的某个引脚输入到定时器。
边沿检测：定时器检测到信号的电平跳变（上升沿或下降沿）。
计数值捕获：在边沿跳变发生时，将当前定时器的计数值捕获并保存到对应的捕获/比较寄存器（CCR）中。
数据处理：通过程序读取捕获的计数值，进行进一步的处理和计算，如计算频率、周期等。

3.3.4 示例代码

#include "ic.h"
void IC_Init(void)
{
// 使能RCC时钟
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
// 配置GPIO初始化
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct);

// 配置内部时钟
TIM_InternalClockConfig(TIM3);
// 配置时基单元
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 65536-1;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 72 - 1;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitStruct);

// 输入捕获
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0xF;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity =TIM_ICPolarity_Rising;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_ICInit(TIM3,&TIM_ICInitStruct);

TIM_SelectInputTrigger(TIM3,TIM_TS_TI1FP1);
TIM_SelectOutputTrigger(TIM3,TIM_TRGOSource_Reset);

TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);

}

u32 IC_GetFreq(void)
{
return 1000000 / TIM_GetCapture1(TIM3);
}

原文地址：https://blog.csdn.net/qq_64047342/article/details/144195656

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