不仅是延时，更是 PWM、捕获、RTOS 心跳的基石

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前言：为什么需要“硬件时钟”？

在上一篇文章中，我们用中断实现了异步响应，但还有一个常见的需求：“过一段时间后做某事” 或 “每隔固定时间做某事”。

你可能会想到 HAL_Delay(1000) —— 但这有两个致命问题：

1. 阻塞：延时期间 CPU 啥也干不了，浪费算力。
2. 不精确：依赖系统时钟和循环计数，受中断影响，长时间累积误差大。

有没有一种方式，让 CPU “闹钟”到点时自动中断，而不需要一直傻等？这就是硬件定时器的职责。

STM32 内部集成了多种定时器，它们就像一个个独立的小闹钟，可以：

• 产生精确的延时（非阻塞）
• 生成 PWM 波（控制电机、调光）
• 测量输入信号的频率/脉宽（捕获）
• 触发 ADC 采样、DMA 传输
• 作为 RTOS 的系统心跳（SysTick）

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一、定时器的本质：计数器 + 时钟源

无论多高级的定时器，核心都是一个计数器（Counter），它在时钟驱动下递增（或递减）。当计数值达到预设的 自动重装载值（ARR, Auto-Reload Register） 时，可以产生更新事件（溢出中断）。

基本公式（向上计数模式）：

溢出时间 = (ARR + 1) × (PSC + 1) / 定时器时钟频率

• PSC（Prescaler）：预分频器，对输入时钟分频，得到计数器的时钟。
• ARR：自动重装载值，计数器从 0 计数到 ARR 时溢出。

例如：定时器时钟 72 MHz，PSC = 7199，ARR = 9999，则计数频率 = 72M / 7200 = 10 kHz，溢出周期 = 10000 / 10kHz = 1 秒。

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二、STM32 定时器家族

STM32 系列根据功能将定时器分为三类：

类型	位数	典型型号（F103）	功能
基本定时器（TIM6, TIM7）	16	TIM6, TIM7	只有最基本的溢出中断，用于简单定时或触发 DAC
通用定时器（TIM2~TIM5）	16/32	TIM2, TIM3, TIM4, TIM5	除了溢出中断，还支持输入捕获、输出比较、PWM、编码器接口
高级定时器（TIM1, TIM8）	16	TIM1, TIM8	在通用基础上增加互补输出、死区插入、刹车功能，用于电机控制

注意：不同系列的 STM32 定时器数量、位数不同。比如 F4 系列有 32 位通用定时器，H7 系列更多。

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三、定时器基本用法：非阻塞延时（中断方式）

我们想实现一个 LED 每隔 500ms 翻转一次，但不想用 HAL_Delay 阻塞主循环。

1. 配置定时器（以 TIM2 为例）

TIM_HandleTypeDef htim2;

void TIM2_Init(void) {
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 7200 - 1;      // 72MHz / 7200 = 10kHz
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 5000 - 1;         // 10kHz 下计数 5000 次 = 0.5秒
    htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);        // 启动并开启更新中断
}

2. 中断服务函数（在 stm32f1xx_it.c 或自己定义）

void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_UPDATE) != RESET) {
        __HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_UPDATE);
        HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    }
}

3. 主循环彻底解放

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    LED_Init();
    TIM2_Init();
    while (1) {
        // 主循环可以自由处理其他任务，LED 自动 0.5s 翻转
    }
}

这种非阻塞延时是裸机多任务的基础。但注意：如果中断频率太高，会频繁打断主循环，需要合理设计。

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四、PWM 输出：呼吸灯与电机控制

PWM（脉冲宽度调制） 通过改变方波的占空比来模拟不同的电压输出。占空比 = 高电平时间 / 周期。

1. PWM 原理

通用定时器可以配置一个或多个通道输出 PWM。计数器从 0 向上计数到 ARR，当计数值小于捕获比较寄存器（CCR） 时，输出高电平；大于时输出低电平（取决于极性配置）。

• 频率 = 定时器时钟 / (PSC+1) / (ARR+1)
• 占空比 = CCR / (ARR+1)

2. 配置 PWM 输出（以 TIM3 通道 1 为例，PA6）

TIM_HandleTypeDef htim3;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;

void PWM_Init(void) {
    __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    // GPIO 复用为 TIM3_CH1
    GPIO_InitTypeDef gpio = {0};
    gpio.Pin = GPIO_PIN_6;
    gpio.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    gpio.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio);
    
    htim3.Instance = TIM3;
    htim3.Init.Prescaler = 7200 - 1;      // 72M/7200 = 10kHz
    htim3.Init.Period = 1000 - 1;         // 10kHz/1000 = 10Hz PWM 频率
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);
    
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 500;                // 初始占空比 50% (500/1000)
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
}

3. 动态改变占空比

// 设置占空比为 30% (300/1000)
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 300);

应用场景：

• 呼吸灯：循环改变占空比。
• 直流电机调速：改变占空比控制转速。
• 舵机控制：周期 20ms，高电平 0.5ms~2.5ms 对应角度。
• DAC 模拟输出：PWM 加 RC 滤波产生模拟电压。

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五、输入捕获：测量脉冲宽度与频率

输入捕获可以测量外部信号的周期、频率、占空比、高电平时间等。

原理

定时器的一个通道（比如 CH1）捕获外部输入的边沿（上升沿/下降沿）。当边沿发生时，计数器当前值被保存到 CCR 寄存器中，并触发中断。通过连续两次捕获值的差值，结合计数频率，即可计算出时间。

测量高电平时间：

1. 配置为上升沿捕获，记录时间 T1。
2. 立刻改为下降沿捕获，记录时间 T2。
3. 高电平时间 = (T2 - T1) × 计数器周期（注意溢出处理）。

简单示例：捕获上升沿（不考虑溢出）

volatile uint32_t captureValue = 0;

void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_CC1) != RESET) {
        __HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_CC1);
        captureValue = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
        // 可在主循环中处理 captureValue
    }
}

实际工程中需要处理计数器溢出的情况，否则长时间测量会出错。可以用溢出中断累加次数。

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六、SysTick：系统滴答定时器

SysTick 是 ARM Cortex-M 内核内置的一个24 位向下计数器，它不属于 STM32 的外设定时器，但极其重要。

特性

• 24 位递减计数器，到达 0 时可触发中断。
• 时钟源可以是系统时钟（HCLK）或其 8 分频。
• 通常用于 RTOS 的心跳（如 FreeRTOS 的 configTICK_RATE_HZ），以及 HAL_Delay 的实现。

配置 SysTick 产生 1ms 中断

HAL 库在 HAL_Init() 中会自动调用 HAL_SYSTICK_Config() 配置 SysTick 为 1ms 中断（如果未重定义）。你也可以手动配置：

// 系统时钟 72MHz，HCLK 8 分频后 9MHz，计数值 9000 得到 1ms 中断
if (SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000)) {
    // 配置失败
}

SysTick 中断服务函数

void SysTick_Handler(void) {
    HAL_IncTick();           // HAL 库的计时变量增加
    // 用户代码：比如执行 1ms 一次的扫描任务
}

利用 SysTick 实现非阻塞延时（裸机状态机）

uint32_t tick = 0;

void SysTick_Handler(void) {
    tick++;
}

void delay_ms_nonblock(uint32_t ms) {
    uint32_t start = tick;
    while ((tick - start) < ms) {
        // 等待期间可以执行其他任务（需要状态机配合）
    }
}

注意：纯 while 等待仍然阻塞，真正的非阻塞延时需要结合状态机或 RTOS。

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七、定时器的进阶玩法

1. 编码器模式

通用定时器支持直接连接正交编码器（比如电机编码器），自动计数脉冲和方向。这对做平衡小车、伺服驱动非常方便。

2. 触发 ADC 采样

定时器的更新事件或某个输出比较事件可以触发 ADC 启动采样，实现精确时间间隔采样（如音频、电力谐波分析）。

3. 从模式与主从同步

多个定时器可以级联：一个定时器作为主，输出触发信号；另一个作为从，响应触发开始计数。用于产生复杂的时序。

4. 输出比较翻转模式

在 CCR 匹配时翻转输出电平，可以产生任意频率的方波（甚至比 PWM 更灵活）。

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八、常见问题与注意事项

1. 时钟未使能：每个定时器都有自己的总线时钟（APB1 或 APB2），忘记 __HAL_RCC_TIMx_CLK_ENABLE() 会导致寄存器无法操作。
2. 预分频器与 ARR 的数值范围：它们都是 16 位（基本/通用）或 32 位，不要超出范围（0~65535 或 0~4294967295）。
3. 中断标志未清除：如果忘记清除中断标志，ISR 会反复进入，导致系统假死。
4. PWM 频率与占空比分辨率权衡：ARR 越大，分辨率越高（CCR 步进更细），但 PWM 频率越低。需要根据应用平衡。
5. 输入捕获的溢出处理：如果脉冲周期大于计数器最大溢出时间，必须配合溢出中断累加计数，否则测量错误。
6. SysTick 优先级：默认最低，但如果你需要高精度延时，可提高其优先级（HAL_NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0, 0)）。
7. HAL_Delay 的阻塞性：它使用 SysTick 中断来累加计数，但内部是 while 循环等待，会阻塞。在中断中调用 HAL_Delay 是危险的（可能导致优先级反转）。

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九、总结

• 定时器 = 计数器 + 时钟源 + 自动重装载 + 多种输出/输入模式。
• 基本定时器：简单延时、触发事件。
• 通用定时器：PWM、输入捕获、输出比较、编码器。
• 高级定时器：电机控制专用（互补、死区、刹车）。
• SysTick：内核自带，RTOS 心跳、精确延时基准。
• PWM：占空比控制电机/灯光，频率控制音调。
• 输入捕获：测量外部信号的时间参数。

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系列全篇快速索引：

篇目	标题	核心关键词
1	嵌入式到底是什么？	LED、时钟、GPIO、ARM vs C51 vs STM32
2	串口江湖	UART、RS-232、RS-485、TTL
番外	波特率解析	波特率、比特率、晶振分频
3	两线走天下	I2C、开漏、上拉、地址、应答
4	极速先锋	SPI、四线、CPOL/CPHA、全双工
5	嵌入式大脑	中断、NVIC、ISR、事件驱动
6	时间管理大师	定时器、PWM、输入捕获、SysTick
7	存储与地址	内存映射、大小端、4GB 寻址
8	从裸机到 RTOS	任务、调度、FreeRTOS、优先级
9	任务间悄悄话	队列、信号量、互斥量、IPC
10	位运算的艺术	&、
11	芯片选型	STM32 vs ESP32、选型框架
12	调试与工具链	printf、调试器、逻辑分析仪
13	总结	读手册、写可维护代码、回顾