定时器（Timer）¶

定时器是 STM32 中功能最强大、应用最广泛的外设之一。从简单的延时计数，到 PWM 波形输出驱动电机，再到输入捕获测量脉冲宽度，定时器无处不在。

一、定时器分类¶

STM32F103 共有 8 个定时器，分为三类：

类型	定时器	位数	总线	主要功能
基本定时器	TIM6, TIM7	16 位	APB1	定时、触发 DAC
通用定时器	TIM2, TIM3, TIM4, TIM5	16 位	APB1	定时、PWM 输出、输入捕获、编码器
高级定时器	TIM1, TIM8	16 位	APB2	通用定时器全部功能 + 互补输出、死区控制、刹车

graph TB
    TIM[STM32 定时器] --> BASIC[基本定时器<br>TIM6/7]
    TIM --> GENERAL[通用定时器<br>TIM2/3/4/5]
    TIM --> ADVANCED[高级定时器<br>TIM1/8]
    BASIC --> B1[定时中断]
    BASIC --> B2[触发 DAC]
    GENERAL --> G1[定时中断]
    GENERAL --> G2[PWM 输出]
    GENERAL --> G3[输入捕获]
    GENERAL --> G4[编码器接口]
    ADVANCED --> A1[通用定时器全部功能]
    ADVANCED --> A2[互补 PWM + 死区]
    ADVANCED --> A3[刹车输入]

二、定时器的核心概念¶

计数器基本原理¶

定时器的本质就是一个 自动计数的计数器：

每来一个时钟脉冲，计数器 +1（向上计数时）
当计数到设定值（自动重装载值 ARR）时，产生一个 更新事件
计数器清零，重新开始计数

三个关键参数¶

参数	寄存器	含义
预分频器	PSC（Prescaler）	对输入时钟进行分频，决定计数频率
自动重装载值	ARR（Auto-Reload Register）	计数器的上限值，到达后产生更新事件
计数器	CNT（Counter）	当前计数值

定时时间计算¶

\[ T_{\text{溢出}} = \frac{(PSC + 1) \times (ARR + 1)}{F_{\text{CLK}}} \]

其中 \(F_{\text{CLK}}\) 是定时器的输入时钟频率。

计算举例

STM32F103 的 TIM2 挂在 APB1 总线上，经过倍频后时钟为 72MHz。

如果我们想让定时器每 1 秒 触发一次中断：

\[ 1\text{s} = \frac{(PSC + 1) \times (ARR + 1)}{72\,000\,000} \]

取 \(PSC = 7199\), \(ARR = 9999\)：

\[ T = \frac{7200 \times 10000}{72\,000\,000} = 1\text{s} \quad ✅ \]

或者 \(PSC = 71\), \(ARR = 999999\)... 但 ARR 是 16 位寄存器（最大 65535），所以这个组合不可行！

PSC 和 ARR 的取值技巧

先用 PSC 把时钟降到一个"好算"的频率（如 10kHz），再用 ARR 设定计数次数
例如 72MHz / (7199+1) = 10kHz，然后 ARR = 9999 → 每 1 秒溢出一次
PSC 和 ARR 的值都要在 0~65535 范围内

计数模式¶

模式	计数方向	溢出条件	典型应用
向上计数	0 → ARR	CNT == ARR 时溢出	最常用
向下计数	ARR → 0	CNT == 0 时溢出	较少用
中央对齐	0 → ARR → 0	到达 ARR 和 0 时都溢出	产生对称 PWM

三、定时中断（CubeMX + HAL）¶

最基本的定时器应用——每隔固定时间触发一次中断。

CubeMX 配置步骤¶

Timers → TIM2
- Clock Source: Internal Clock
- Prescaler: 7200 - 1（即 7199）
- Counter Period: 5000 - 1（即 4999）
- Counter Mode: Up
- auto-reload preload: Enable
NVIC Settings 标签页中勾选 TIM2 global interrupt，设置优先级
生成代码

代码示例：每 500ms 翻转 LED¶

CubeMX 会在 tim.c 中生成 MX_TIM2_Init() 函数。你需要做两件事：

1. 在 main.c 中启动定时器中断

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);  // 启动 TIM2 并使能更新中断
/* USER CODE END 2 */

2. 实现回调函数

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM2)  // 确认是 TIM2
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);  // 翻转 LED
    }
}
/* USER CODE END 4 */

HAL 定时器中断流程

graph LR
    A["TIM2_IRQHandler()<br>(stm32f1xx_it.c)"] --> B["HAL_TIM_IRQHandler()"]
    B --> C["检查 & 清除标志"]
    C --> D["HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()<br>(你来实现)"]

你不需要手动清除中断标志位，HAL 已经处理了。

四、PWM 输出¶

什么是 PWM？¶

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是一种用数字信号模拟模拟量的技术：

通过高速切换高低电平，控制平均电压
占空比越大，平均电压越高

\[ V_{\text{avg}} = V_{\text{high}} \times \frac{T_{\text{on}}}{T_{\text{period}}} = V_{\text{high}} \times D \]

其中 \(D\) 是占空比（Duty Cycle），范围 0% ~ 100%。

PWM 的实际效果

3.3V 的 GPIO 输出 50% 占空比的 PWM → 等效 1.65V → LED 变暗一半
3.3V 的 GPIO 输出 10% 占空比的 PWM → 等效 0.33V → LED 很暗

PWM 模式¶

定时器通过比较 CNT 和 CCR（Capture/Compare Register，捕获比较值）来产生 PWM：

PWM 模式	CNT < CCR 时	CNT ≥ CCR 时
PWM 模式 1	有效电平（高）	无效电平（低）
PWM 模式 2	无效电平（低）	有效电平（高）

PWM 模式 1（向上计数）：
        ┌──────┐          ┌──────┐
   高   │      │          │      │
        │      │          │      │
   低 ──┘      └──────────┘      └──────
        0    CCR   ARR    0    CCR   ARR

   占空比 = CCR / (ARR + 1)

PWM 关键公式¶

\[ f_{\text{PWM}} = \frac{F_{\text{CLK}}}{(PSC + 1) \times (ARR + 1)} \]

\[ \text{占空比} = \frac{CCR}{ARR + 1} \times 100\% \]

CubeMX 配置 PWM¶

以 TIM3 CH1（PA6）输出 1kHz PWM 为例：

Timers → TIM3
- Clock Source: Internal Clock
- Channel1: PWM Generation CH1
Parameter Settings：
- Prescaler: 72 - 1（72MHz / 72 = 1MHz 计数频率）
- Counter Period: 1000 - 1（1MHz / 1000 = 1kHz PWM）
- Pulse（CCR）: 0（初始占空比 0%）
- Mode: PWM mode 1
- CH Polarity: High
PA6 会自动映射为 TIM3_CH1
生成代码

PWM 代码示例：呼吸灯¶

/* main.c */

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);  // 启动 PWM 输出
/* USER CODE END 2 */

uint16_t duty = 0;
uint8_t direction = 1;

/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    if (direction)
    {
        duty += 5;
        if (duty >= 1000) direction = 0;
    }
    else
    {
        duty -= 5;
        if (duty == 0) direction = 1;
    }

    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, duty);  // 修改占空比
    HAL_Delay(5);
    /* USER CODE END WHILE */
}

PWM 驱动舵机¶

舵机通常需要 50Hz 的 PWM 信号，通过脉宽控制角度：

脉宽	角度	CCR（ARR=19999 时）
0.5ms	0°	500
1.0ms	45°	1000
1.5ms	90°	1500
2.0ms	135°	2000
2.5ms	180°	2500

CubeMX 配置：PSC = 72-1，ARR = 20000-1 → 50Hz

// 启动 PWM
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

// 设置舵机角度
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 1500);  // 90°

五、输入捕获¶

什么是输入捕获？¶

输入捕获用于测量外部信号的参数：

脉冲频率：两个上升沿之间的时间
脉冲宽度：一个上升沿到下一个下降沿之间的时间
占空比：高电平时间 / 周期

工作原理¶

配置定时器通道为输入捕获模式
当检测到指定边沿（上升/下降）时，硬件自动将当前 CNT 值锁存到 CCR
通过两次捕获的 CCR 差值计算时间

信号：  ┌──────┐          ┌──────┐
   高   │      │          │      │
        │      │          │      │
   低 ──┘      └──────────┘      └──────
        ↑      ↑          ↑
      捕获1   捕获2      捕获3
      CCR1    CCR2       CCR3

频率 = F_CNT / (CCR3 - CCR1)
脉宽 = (CCR2 - CCR1) / F_CNT

CubeMX 配置输入捕获¶

以 TIM3 CH1（PA6）捕获上升沿为例：

Timers → TIM3
- Clock Source: Internal Clock
- Channel1: Input Capture direct mode
Parameter Settings：
- Prescaler: 72 - 1（计数频率 1MHz → 1μs 精度）
- Counter Period: 65535（最大计数范围）
- Polarity Selection: Rising Edge
- IC Filter: 15（滤波）
NVIC 中勾选 TIM3 global interrupt
生成代码

代码示例：测量信号频率¶

/* main.c */

volatile uint32_t capture1 = 0, capture2 = 0;
volatile uint8_t capture_done = 0;

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

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM3 && htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
    {
        if (capture_done == 0)
        {
            capture1 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
            capture_done = 1;
        }
        else
        {
            capture2 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
            capture_done = 2;  // 两次捕获完成

            // 可选：停止捕获
            HAL_TIM_IC_Stop_IT(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
        }
    }
}
/* USER CODE END 4 */

/* 在主循环中计算频率 */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    if (capture_done == 2)
    {
        uint32_t diff;
        if (capture2 >= capture1)
            diff = capture2 - capture1;
        else
            diff = (65536 + capture2) - capture1;  // 处理溢出

        float freq = 1000000.0f / diff;  // 计数频率 1MHz → 单位是 μs
        capture_done = 0;

        // 重新启动捕获
        HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
    }
    /* USER CODE END WHILE */
}

六、HAL 定时器常用函数速查¶

函数	功能
`HAL_TIM_Base_Start()`	启动定时器（无中断）
`HAL_TIM_Base_Start_IT()`	启动定时器并使能更新中断
`HAL_TIM_Base_Stop_IT()`	停止定时器并禁止更新中断
`HAL_TIM_PWM_Start()`	启动 PWM 输出
`HAL_TIM_PWM_Stop()`	停止 PWM 输出
`HAL_TIM_IC_Start_IT()`	启动输入捕获（中断模式）
`HAL_TIM_IC_Stop_IT()`	停止输入捕获
`__HAL_TIM_SET_COMPARE()`	修改 CCR 值（改变占空比）
`__HAL_TIM_SET_AUTORELOAD()`	修改 ARR 值
`__HAL_TIM_SET_PRESCALER()`	修改 PSC 值
`HAL_TIM_ReadCapturedValue()`	获取捕获值

常用回调函数¶

回调函数	触发时机
`HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()`	更新事件（定时中断）
`HAL_TIM_IC_CaptureCallback()`	输入捕获完成
`HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback()`	PWM 脉冲结束
`HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback()`	输出比较匹配

七、常见问题¶

定时器的时钟频率怎么确定？

TIM2/3/4/5 挂在 APB1 上。APB1 预分频 ≠ 1 时，定时器时钟 = APB1 × 2 = 36MHz × 2 = 72MHz
TIM1/8 挂在 APB2 上，时钟同样为 72MHz
结论：在默认时钟配置下（CubeMX 默认配好），所有定时器的时钟都是 72MHz

PWM 频率和分辨率如何权衡？

PWM 频率 = 72MHz / (PSC+1) / (ARR+1)。ARR 越大，占空比的调节精度（分辨率）越高，但 PWM 频率越低。需要根据应用场景权衡：

LED 调光：1kHz 就够，ARR 可以设大些
电机驱动：通常 10~20kHz（避免听到电机的啸叫声）
高速通信：可能需要 MHz 级别

为什么在 CubeMX 中 Preload 建议 Enable？

不使能预装载时，修改 ARR 或 CCR 会立即生效，可能导致在一个 PWM 周期中出现异常波形。使能预装载后，新值会在下一个更新事件时才加载，保证波形完整。

HAL_TIM_Base_Start vs HAL_TIM_Base_Start_IT？

HAL_TIM_Base_Start()：只启动计数器，不产生中断。用于 PWM 输出、编码器等不需要中断的场景
HAL_TIM_Base_Start_IT()：启动计数器 + 使能更新中断。用于需要定时中断的场景