STM32学习笔记：定时器(TIM)原理与应用（详解篇)

本文详细介绍了STM32通用定时器的工作原理和应用开发。

同予者何人也。

1208人浏览 · 2025-06-07 16:01:28

同予者何人也。 · 2025-06-07 16:01:28 发布

前言

定时器是STM32微控制器中最重要且最常用的外设之一，它不仅能提供精确的定时功能，还能实现PWM输出、输入捕获、编码器接口等多种功能。本文将全面介绍STM32的通用定时器，包括其工作原理、配置方法和典型应用。

一、STM32定时器概述

定时器时钟系统的设计和实现对于嵌入式系统的正常运作至关重要。STM32系列微控制器具有复杂的时钟系统架构，能够为不同外设提供灵活的时钟源选择。

STM32包含多种时钟源，满足不同应用场景需求：

时钟源	类型	频率	主要用途
HSI	高速内部RC振荡器	8MHz	系统时钟备用源
HSE	高速外部晶振	4-26MHz	主系统时钟源
LSI	低速内部RC振荡器	~32kHz	独立看门狗、RTC
LSE	低速外部晶振	32.768kHz	精确RTC时钟
PLL	锁相环倍频	可配置	生成高频系统时钟

1. 定时器分类

STM32F1系列包含丰富的定时器资源，主要分为：

高级定时器（TIM1/TIM8）：功能最全，支持PWM互补输出等高级功能
通用定时器（TIM2-TIM5）：平衡功能与复杂度，适合大多数应用
基本定时器（TIM6/TIM7）：功能简单，主要用于定时和DAC触发

2. 通用定时器主要功能

16/32位向上、向下、中央对齐的自动重装载计数器
多种时钟源选择：
- 内部时钟(CK_INT)
- 外部时钟模式1(外部引脚)
- 外部时钟模式2(外部触发输入ETR)
- 内部触发输入(ITRx，用于定时器级联)
4个独立通道，每个通道可用于：
- 输入捕获
- 输出比较
- PWM生成
- 单脉冲模式输出
丰富的触发源：可用于ADC启动、DAC触发等
编码器接口：可直接连接正交编码器

二、定时器工作原理

1. 定时器时钟系统

定时器时钟主要来自：

内部时钟(CK_INT)：APB总线时钟经倍频后得到
- 当APB预分频器为1时，CK_INT = APB时钟
- 否则CK_INT = 2×APB时钟
外部时钟：
- 模式1：外部引脚(TIx)输入
- 模式2：外部触发输入(ETR)

2. 定时器基本组成

计数器寄存器(TIMx_CNT)：核心计数单元
预分频器(TIMx_PSC)：对输入时钟进行分频
- 16位可编程，分频系数1~65536
自动重装载寄存器(TIMx_ARR)：决定计数周期
比较/捕获寄存器(TIMx_CCRx)：用于比较或捕获

3. 计数模式

向上计数模式：从0计数到ARR值，然后重新从0开始
向下计数模式：从ARR值向下计数到0，然后重新从ARR开始
中央对齐模式：先向上计数到ARR，再向下计数到0

三、定时器应用开发

1. 基本定时功能实现

配置步骤：

使能定时器时钟
配置时基单元
使能定时器中断（如需）
配置NVIC
编写中断服务函数

代码实现：

// 定时器3初始化
void TIM3_Init(u16 arr, u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    // 1. 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    
    // 2. 配置时基
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;        // 自动重装载值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;     // 预分频系数
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;   // 时钟分频
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 3. 使能中断
    TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
    
    // 4. 配置NVIC
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    // 5. 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

// 定时器3中断服务函数
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
        // 用户处理代码
        LED_Toggle();
    }
}

2. PWM输出配置

PWM原理：通过调节占空比（高电平时间与周期之比）来控制输出

配置步骤：

使能定时器和GPIO时钟
配置GPIO为复用推挽输出
初始化时基单元
配置PWM模式
设置占空比
使能输出和定时器

代码实现：

void TIM2_PWM_Init(u16 arr, u16 psc)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    
    // 1. 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 2. 配置GPIO
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;  // TIM2_CH2
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 3. 初始化时基
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 4. 配置PWM模式
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;  // 初始占空比
    TIM_OC2Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
    
    // 5. 使能预装载
    TIM_OC2PreloadConfig(TIM2, TIM_OCPreload_Enable);
    
    // 6. 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

// 设置PWM占空比
void PWM_SetDuty(TIM_TypeDef* TIMx, u32 ch, u16 duty)
{
    switch(ch)
    {
        case 1: TIMx->CCR1 = duty; break;
        case 2: TIMx->CCR2 = duty; break;
        case 3: TIMx->CCR3 = duty; break;
        case 4: TIMx->CCR4 = duty; break;
    }
}

3. 输入捕获功能

应用场景：测量脉冲宽度、频率或周期

配置步骤：

使能时钟和GPIO
配置GPIO为输入
初始化时基单元
配置输入捕获参数
使能中断
编写中断服务函数

代码实现：

// 定时器5通道2输入捕获初始化
void TIM5_Cap_Init(u16 arr, u16 psc)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    // 1. 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 2. 配置GPIO
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;  // TIM5_CH2
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;  // 下拉输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 3. 初始化时基
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 4. 配置输入捕获
    TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
    TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;  // 上升沿捕获
    TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;  // 不分频
    TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;  // 不滤波
    TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);
    
    // 5. 使能中断
    TIM_ITConfig(TIM5, TIM_IT_CC2, ENABLE);
    
    // 6. 配置NVIC
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    // 7. 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM5, ENABLE);
}

// 定时器5中断服务函数
u32 capture_val = 0;
void TIM5_IRQHandler(void)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC2) != RESET)
    {
        capture_val = TIM_GetCapture2(TIM5);  // 获取捕获值
        TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC2);
    }
}

四、定时器高级应用

1. 定时器级联

将两个定时器级联可以扩展定时范围：

主定时器配置为定时模式
从定时器配置为外部时钟模式1，时钟源来自主定时器

// 定时器2作为主定时器，定时器3作为从定时器
void TIM23_Cascade_Init(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    
    // 1. 主定时器(TIM2)配置
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 1000-1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7200-1;  // 10KHz
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 配置TIM2触发输出
    TIM_SelectOutputTrigger(TIM2, TIM_TRGOSource_Update);
    
    // 2. 从定时器(TIM3)配置
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 配置TIM3为外部时钟模式1
    TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_ITR1);  // TIM2作为TIM3的触发源
    TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_External1);
    
    // 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

2. 编码器接口模式

用于连接正交编码器，可自动识别旋转方向和计数：

void TIM4_Encoder_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    // 1. 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    
    // 2. 配置GPIO
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;  // TIM4_CH1/CH2
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
    // 3. 初始化时基
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 4. 配置编码器接口
    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12, 
                             TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
    
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 6;  // 适当滤波
    TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);
    
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
    TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);
    
    // 5. 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
}