前言

在单片机开发中，我们经常需要做两件事：“控制时间” 和 “测量时间”。

• 比如：每隔 1秒 闪烁一次 LED（定时中断）。
• 比如：控制电机转速或 LED 亮度（PWM 输出）。
• 比如：测量超声波模块的高电平时间算出距离（输入捕获）。

这些功能的背后，都是同一个外设在工作——定时器 (TIM)。本文将带你从最底层的计数原理出发，通过 CubeMX 配置和 HAL 库代码，彻底搞懂 PWM 输出 和 输入捕获。

---

第一部分：定时器的核心原理

1.1 什么是定时器？

想象一个拿着秒表的计数员。

• 他的工作就是看着秒表，每过一个单位时间，就在纸上写一个数字：0, 1, 2, 3...
• 这个“计数员”就是 STM32 内部的 计数器 (Counter, CNT)。
• 这个“秒表”的快慢，由 时钟源 决定。

1.2 三个关键参数 (三驾马车)

理解定时器，必须理解这三个寄存器：

1. PSC (Prescaler, 预分频器)：“变速箱”

   • 系统时钟（比如 72MHz）太快了，我们需要把它降下来。
   • 如果你设置 PSC = 71，那么计数频率 = 72MHz / (71+1) = 1MHz。也就是说，计数器每 1微秒 (us) 加 1。

2. CNT (Counter, 计数器)：“当前的计数值”

   • 它是一个一直在增加的数字（0 -> 1 -> 2 ...）。

3. ARR (Auto-Reload Register, 自动重装载寄存器)：“终点站”

   • 这是计数的目标值。
   • 当 CNT 数到 ARR 的值时，它会清零（归位），并产生一个更新事件 (Update Event)。
   • 比如设置 ARR = 999（PSC已设为1MHz），那么定时周期 = 1000us = 1ms。

第二部分：输出比较 (Output Compare) 与 PWM

2.1 什么是 PWM？

PWM (脉冲宽度调制) 是利用数字信号控制模拟电路的魔法。
通过控制高电平在一个周期内占用的时间比例（占空比），我们可以让 LED 看起来“半亮”，或者让电机“半速”转动。

2.2 PWM 生成原理

在计数器数数的过程中，引入一个新的寄存器：CCR (Capture/Compare Register, 捕获/比较寄存器)。通过计数器的值与CCR中进行比较，高低变化。

逻辑规则：

• 当 CNT < CCR 时：输出 高电平 (有效)。
• 当 CNT >= CCR 时：输出 低电平 (无效)。

效果：

• ARR （自动重装寄存器也就是临界值）决定了 PWM 的 频率（周期）。
• CCR 决定了 PWM 的 占空比（高电平宽度）。
• 调节 CCR 的值，就能调节 LED 的亮度！

---

第三部分：输入捕获 (Input Capture)

3.1 什么是输入捕获？

如果说 PWM 是“输出时间”，那输入捕获就是“测量时间”。
它用于测量外部信号的频率或脉冲宽度（比如按键按下的时长、红外遥控的信号、超声波回波时间）。

3.2 捕获原理

当引脚上检测到电平跳变（比如从低变高）时，硬件会瞬间做一个动作：
“拍照” —— 将当前 CNT（计数器） 的值瞬间复制到 CCR（捕获寄存器） 中保存下来。

测脉宽的思路：

1. 设置上升沿触发：当信号变高，记录 CNT 的值，记为 Value1。
2. 设置下降沿触发：当信号变低，记录 CNT 的值，记为 Value2。
3. 脉宽时间 = (Value2 - Value1) × 计数周期。

---

第四部分：STM32CubeMX 配置实战

我们要实现两个功能：

1. TIM2 (PA0)：产生 PWM 呼吸灯。
2. TIM3 (PA6)：捕获按键或信号发生器的高电平时间。

4.1 基础配置

• RCC -> HSE (Crystal/Ceramic)。//外部时钟源，配置72MHz
• Clock Configuration -> 72MHz。

4.2 配置 TIM2 (PWM 输出)

1. Timers -> TIM2。
2. Channel 1：选择 PWM Generation CH1。//配置PWM通道一
3. Parameter Settings：
   • Prescaler (PSC)：71 （分频后频率 1MHz，1us跳一次）。
   • Counter Period (ARR)：999 （周期 1000us = 1ms，即 1kHz）。
   • Pulse (CCR)：0 （初始占空比 0%）。

4.3 配置 TIM3 (输入捕获)

1. Timers -> TIM3。
2. Channel 1：选择 Input Capture direct mode。//直接捕获
3. Parameter Settings：
   • Prescaler (PSC)：71 （1MHz，保证 1us 精度）。
   • Counter Period (ARR)：65535 （设为最大，防止还没测完就溢出了）。
   • Polarity Selection：Rising Edge （先捕获上升沿）。
4. NVIC Settings：勾选 TIM3 global interrupt （一定要开中断！）。

4.4 生成代码

点击 Generate Code。

---

第五部分：代码编写 (HAL库)

5.1 PWM 呼吸灯逻辑 (main.c)

在 main() 函数中，我们需要启动 PWM，并在 while(1) 里不断修改 CCR 的值。

/* USER CODE BEGIN 2 */
// 启动 TIM2 通道1 的 PWM
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
/* USER CODE END 2 */

/* USER CODE BEGIN 3 */
int16_t pwm_val = 0;
int8_t step = 10;

while (1)
{
    // 修改 CCR 寄存器的值（0~999）
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, pwm_val);
    
    pwm_val += step;
    
    // 到达顶峰反向，到达底部反向
    if (pwm_val >= 1000 || pwm_val <= 0) step = -step;
    
    HAL_Delay(10); // 呼吸速度
}
/* USER CODE END 3 */

5.2 输入捕获逻辑 (中断处理)

测量脉宽通常在中断回调函数中完成。我们需要定义状态机来记录是“刚遇到上升沿”还是“遇到了下降沿”。

在 main.c 底部添加：

/* USER CODE BEGIN 4 */

// 定义变量
uint32_t rise_val = 0; // 上升沿时刻的 CNT
uint32_t fall_val = 0; // 下降沿时刻的 CNT
uint32_t high_time = 0; // 高电平持续时间 (us)
uint8_t capture_state = 0; // 0:等待上升沿, 1:等待下降沿

// 重写定时器输入捕获回调函数
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    // 判断是否是 TIM3 的通道 1
    if (htim->Instance == TIM3 && htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
    {
        if (capture_state == 0) // 状态0：抓到了上升沿
        {
            // 1. 获取当前计数器的值（开始时间）
            rise_val = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
            
            // 2. 切换为下降沿捕获
            __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING);
            
            // 3. 切换状态
            capture_state = 1;
        }
        else if (capture_state == 1) // 状态1：抓到了下降沿
        {
            // 1. 获取当前计数器的值（结束时间）
            fall_val = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
            
            // 2. 计算高电平时间 (考虑溢出情况)
            if (fall_val >= rise_val)
            {
                high_time = fall_val - rise_val;
            }
            else
            {
                // 如果计数器溢出重装了 (0xFFFF -> 0)
                high_time = (0xFFFF - rise_val) + fall_val + 1;
            }
            
            // 3. 打印结果 (可选，或者存到全局变量)
            // printf("High Level Time: %d us\r\n", high_time);
            
            // 4. 恢复设置为上升沿捕获，准备下一次测量
            __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING);
            capture_state = 0;
        }
    }
}
/* USER CODE END 4 */

别忘了在 main() 初始化部分开启输入捕获中断：

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim3, TIM_CHANNEL_1); // 开启输入捕获中断
/* USER CODE END 2 */

---

总结

通过这篇文章，我们打通了定时器的任督二脉：

1. 基本原理：基于 PSC（分频）和 ARR（重装载）的计数器。
2. PWM输出：利用 CCR（比较值）控制输出电平翻转，实现电压模拟。
3. 输入捕获：利用硬件锁存 CNT 的值，精确测量外部信号时长。

掌握了这两个功能，你可以做的项目就非常多了：

• PWM：电机调速、伺服舵机控制（机械臂）、LED 调光。
• 捕获：超声波测距、红外解码、测量风扇转速。