HAL库STM32常用外设教程（五）—— 定时器输出比较-Toy模板网

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有关于定时器 输出PWM功能 不了解的可以看这篇文章：HAL库STM32常用外设教程（一）—— 定时器输出PWM
有关于定时器 定时功能不了解的可以看这篇文章：HAL库STM32常用外设教程（四）—— 定时器基本定时

前言

1、STM32F407ZGT6
2、STM32CubeMx软件
3、keil5
内容简述：
通篇文章将涉及以下内容，如有错误，欢迎指出：
1、通用定时器特性
2、通用定时器的结构和功能
3、定时器有关输出比较的HAL库驱动程序
（1）CubeMx配置
（2）TIM驱动程序
①输出频率、占空比相同，相位不同的PWM
②输出频率、占空比都不同的PWM

一、通用定时器特性概述

通用定时器TIM2-TIM5以及TIM9-TIM14的功能如表1-1所示，它们的区别主要在于计数器的位数，捕获/比较通道的个数不同，通用定时器具有以下特性。
HAL库STM32常用外设教程（五）—— 定时器输出比较,stm32,嵌入式硬件,单片机,学习 表1.1定时器基本特性

16位或32位自动重载计数器
16位可编程预分频器，分频系数位1-65536，分频系数可在运行时修改
有1、2、4个独立通道，可用于
（1）输入捕获
（2）输出比较
（3）PWM生成（边沿对齐或中心对齐）
（4）单脉冲模式输出
可使用外部信号控制定时器，可实现多个定时器互联的同步电路
可发生如下事件时产生中断或DMA请求
（1）更新——计数器上溢/下溢、计数器初始化（用过软件或内部/外部触发）
（2）触发事件（计数器启动、停止、初始化或通过内部/外部触发计数）
（3）输出比较
（4）输入捕获
注：在STM32F407的参考手册上，TIM2-TIM5可以使用外部时钟信号驱动计数器，而TIM9-TIM14只能使用内部时钟信号。

二、通用定时器框图

2.1 通用定时器框图

通过学习通用定时器框图会有一个很好的整体掌握，同时对之后的编程也会有一个清晰的思路。
HAL库STM32常用外设教程（五）—— 定时器输出比较,stm32,嵌入式硬件,单片机,学习 图2.1 通用定时器结构框图

① 时钟源
通用定时器时钟可以选择下面四类时钟源之一：
1）内部时钟(CK_INT)
2）外部时钟模式 1：外部输入引脚(TIx)
3）外部时钟模式 2：外部触发输入(ETR)
4）内部触发输入(ITRx)：使用一个定时器作为另一定时器的预分频器

注意：触发控制器输出时钟信号CK_PSC，若选择使用内部时钟，则CK_PSC就等同于CK_INT。

② 控制器
控制器包括：从模式控制器、编码器接口和触发控制器（TRGO）。从模式控制器可以控制计数器复位、启动、递增/递减、计数。编码器接口针对编码器计数。触发控制器用来提供触发信号给别的外设，比如为其它定时器提供时钟或者为 DAC/ADC 的触发转换提供信号。

③ 时基单元
时基单元包括：计数器寄存器(TIMx_CNT)、预分频器寄存器(TIMx_PSC)、自动重载寄存器
(TIMx_ARR)。这部分内容和基本定时器基本一样的，大家可以参考基本定时器里的介绍。
不同点：
Ⅰ、通用定时器的计数模式有三种：递增计数模式、递减计数模式和中心对齐模式。

递增计数模式就是来了一个计数脉冲，计数器就加 1，直到计数器寄存器的值加到 ARR，加到ARR 时定时器溢出，由于是递增计数，故而称为定时器上溢，定时器溢出就会伴随着更新事件的发生，然后计数器又从自动重载寄存器影子寄存器的值开始继续递减计数，如此循环。
递减计数模式就是来了一个计数脉冲，计数器就减 1，直到计数器寄存器的值减到 0，减到 0 时定时器溢出，由于是递减计数，故而称为定时器下溢，定时器溢出就会伴随着更新事件的发生。然后计数器又从自动重载寄存器影子寄存器的值开始继续递减计数，如此循环。
中心对齐模式计数器先从 0 开始递增计数，直到计数器的值等于自动重载寄存器影子寄存器的值减 1 时，定时器上溢，同时生成更新事件，然后从自动重载寄存器影子寄存器的值开始递减计算，直到计数值等于 1 时，定时器下溢，同时生成更新事件，然后又从 0 开始递增计数，依此循环。每次定时器上溢或下溢都会生成更新事件。
Ⅱ、TIM2 和 TIM5 的计数器是 32 位的。
下面通过一张图展示定时器工作在不同计数模式下，更新事件发生的情况：
图2.2 更新事件发生条件
上图中，纵轴表示计数器的计数值，横轴表示时间， ARR 表示自动重载寄存器的值，小红点就是更新事件发生的时间点。举个例子，递增计数模式下，当计数值等于 ARR 时，计数器的值被复位为 0，定时器溢出，并伴随着更新事件的发生，后面继续递增计数。
④ 输入捕获
图 2-1中的第④部分是输入捕获，一般应用是要和第⑤部分一起完成测量功能。TIMx_CH1~ TIMx_CH4 表示定时器的 4 个通道，这 4 个通道都是可以独立工作的。 IO 端口通过复用功能与这些通道相连。配置好 IO 端口的复用功能后，将需要测量的信号输入到相应的IO 端口，输入捕获部分可以对输入的信号的上升沿，下降沿或者双边沿进行捕获。常见的测量有：测量输入信号的脉冲宽度、测量 PWM 输入信号的频率和占空比等。
⑤ 输入捕获和输出比较公用部分
该部分需要结合第④部分或者第⑥部分共同完成相应功能。
⑥ 输出比较
图2-1中的第⑥部分是输出比较，一般应用是要和第⑤部分一起完成定时器输出功能。TIMx_CH1~ TIMx_CH4 表示定时器的 4 个通道，这 4 个通道都是可以独立工作的。 IO 端口通过复用功能与这些通道相连。

2.2 捕获/比较通道

通用定时器有1、2或4个捕获/比较通道，每个通道都是独立工作的。图2-1的定时器有2个捕获/比较通道：一个通道要么作为捕获输入通道，要么作为比较通道；每个通道有一个复用的引脚，如TIM9_CH1、TIM9_CH2复用引脚。
捕获/比较通道由输入阶段、比较阶段和输出阶段组成。

输入阶段。通道作为输入引脚，例如图2-1中④左侧的TIMx_CH1，从复用引脚输入时钟信号TI1，输入阶段可以对输入信号TI1进行滤波和边沿检测，在经过选择器和预分频器后得到时钟信号IC1PS。
捕获/比较阶段。有一个具有预装载功能的捕获/比较寄存器(Capture/Compare Register)，以及相关的影子寄存器，可以读写CCR。在捕获模式下，捕获实际发生在影子寄存器中，然后将影子寄存器的内容复制到CRR中。在比较模式下，CRR的内容将复制到影字寄存器中，然后将影子寄存器的内容与计数器值进行比较。
输出阶段。输出阶段就是根据设置的工作模式和控制逻辑，控制输出引脚的电平。使用捕获/比较通道，通用定时器可以实现如下功能。
①输入捕获，可用于测量一个时钟信号的频率，脉冲宽度等。
②输出比较，将计数器CNT的值与CRR的值比较，控制输出引脚的电平。
③PWM生成，通过设置ARR和CRR的值，在计数器的值CNT变化过程中输出PWM波。PWM波的频率由ARR决定，占空比由CRR决定。
④单脉冲模式输出。

三、输出比较原理及HAL库驱动

3.1 输出比较

3.1.1 输出比较原理

输出比较（output compare）用于控制输出波形，或指示经过了某一段时间。它的工作原理是：用捕获/比较寄存器的值CCR与计数器值CNT比较，如果两个寄存器的值匹配，产生输出比较结果OCyREF，这个值有比较模式和输出极性决定，这个比较结果可以输出到通道的引脚。
注：
①简单来说就是在输出比较这块电路会比较CNT和CCR的值。CNT计数自增，CCR是我们给定的一个值，当CNT大于CCR、小于CCR时，引脚就会输出高电平或者是低电平。
②这个捕获/比较寄存器是输入捕获和输出比较共用的，当使用输入捕获时，他就是捕获寄存器，当时用输出比较时，它就是比较寄存器。

先回顾一下前面文章《HAL库STM32常用外设教程（一）—— 定时器输出PWM》中提到的PWM模式（图3.1）：
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图 3.1 PWM模式

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图3.2 PWM频率计算
其中当CNT计数值 = pulse（也就是CCR值）时，电平就会翻转，当CNT计数达到ARR后，再计数时CNT的值就会清0。总结来说，PWM模式下，PWM的频率由自动重装载值（ARR）和预分频值(PSC)共同决定，CCR决定的是PWM的占空比。

那我们再来看输出比较模式的特点，下图3.3是输出比较比较模式的原理示意图。

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图3.3 输出比较模式
在CubeMx里面配置完输出比较模式后，PWM的周期也是固定的，是一个计数周期两倍，频率是周期的倒数，所以频率也是固定的，从图3.3可以看出占空比也是固定的，都是50%，因为此时是CNT = CCR的时候进行翻转电平（Toggle on match模式下），CNT是从0到65535之间不断变化（递增模式下计数计到最大值65535时，会重新从0开始计数）。CCR的值如果不变，那么CNT计数记到CCR的周期就是固定的。
注：
以STM32F407为例，假设ARR值设置的是65535，预分频器PSC值是168-1，TIM1的通道1输出，那么就可以计算出此时TIM1_CH1输出比较模式下的频率。

计数器的频率 = 168MHz / (168-1 +1) = 1MHz ，得出计一个数用时为 1/1000 000 秒
ARR数值为65535，一个计数周期计65535个，得出一个计数周期时间 = 65535 * 1 /1000 000 秒 =0.065535 秒
输出比较模式下周期是计数周期的2倍，得出 Toc = 2 * 0.065535 = 0.13107 秒 = 131.07 ms
频率是周期的倒数，所以得出该输出比较模式的下频率为 1 / 0.13107 = 7.6295HZ

上述计算得出的就是图3.5和图3.6中PWM的频率，从图中给出的数据也可以看出频率等参数。

那么此时CCR决定的是什么呢？设置CCR1和CCR2的值进行对比，通过图3.4可以看出，CCR值不同时其占空比依旧是50%，周期也是计数周期的两倍，并没有变化，但是从红色的虚线可以看出PWM的相位发生了变化，所以在输出比较中每个通道的初相位可以通过各通道的CCRx来确定。
通过图3.5和图3.6的实际输出进一步观察，其中图3.5的CCR1 = 5，CCR2 = 30000，两个PWM的相位差约为四分之一的周期，将CCR2的值增大到65530，此时从图3.6可以看出相位差已将接近二分之一个周期。
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图3.4 输出比较模式对比

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图3.5 不同CCR下的PWM（1）

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图3.6 不同CCR下的PWM（2）

输出比较模式下，当比较匹配时，可以产生中断或DMA请求，引起输出引脚发生如下几种变化，如图3.7。

冻结（Frozen）,即保持其电平。
有效电平（Active level），有效电平由设置的通道极性决定。
无效电平（Inactive Level）。
翻转（Toggle on match）。

HAL库STM32常用外设教程（五）—— 定时器输出比较,stm32,嵌入式硬件,单片机,学习 图3.7 输出比较变化模式

如图3.8所示，STM32CubeMx里面“Output compare preload”对应的是输入捕获/比较寄存器TIMx_CCMRy的OCyPE（输出比较预装载使能）位。
如果输入捕获/比较寄存器TIMx_CCMR1或TIMx_CCMR2中的OCyPE位设置为0，则捕获/比较寄存器TIMx_CCRy无预装载功能，对TIMx_CCRy寄存器的修改立刻生效；如果设置OCyPE位为1，对TIMx_CCRy寄存器的修改需要等到下一个UEV事件时才能生效，如图5-4。
注：文章中提到的TIMx_CCRy中的 x表示定时器，y表示通道编号。

HAL库STM32常用外设教程（五）—— 定时器输出比较,stm32,嵌入式硬件,单片机,学习 图3.8 输出比较预装载使能

3.1.2 输出比较相关的驱动函数

输出比较相关的HAL函数如表3.1所示，这里仅列出了相关函数名，简要说明其功能相关函数在stm32f4xx_hal_tim.h中。
表3.1 输出比较相关的HAL函数

函数名	功能描述
HAL_TIM_OC_Init（）	输出比较初始化，需先执行HAL_TIM_Base_Init()进行定时器初始化
HAL_TIM_OC_ConfigChannel（）	输出比较通道配置
HAL_TIM_OC_Start（）	启动输出比较，需要先执行HAL_TIM_Base_start()启动定时器
HAL_TIM_OC_Stop（）	停止输出比较
HAL_TIM_OC_Start_IT（）	以中断方式启动输出比较，需要先执行HAL_TIM_Base_start_IT()启动定时器
HAL_TIM_OC_Stop_IT（）	停止输出比较
__HAL_TIM_GET_COMPARE（）	获取基础定时器的当前状态
__HAL_TIM_ENABLE_OCxPRELOAD（）	使能CCR的预装载功能，为CCR设置的新值下个UEV事件发生时才更新到CCR寄存器
__HAL_TIM_DISABLE_OCxPRELOAD（）	禁止CCR的预装载功能，为CCR设置d额新值立刻更新到CCR寄存器
__HAL_TIM_SET_COMPARE（）	设置比较寄存器CCR的值
__HAL_TIM_GET_COMPARE（）	读取比较寄存器CCR的值
HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback（）	产生比较事件的回调函数

四、输出比较应用实例

4.1 示例1

示例内容：通过输出比较的模式，在TIM1的通道1和通道2上输出两种相位不同的PWM。
见图3.5和3.6的结果显示

4.4.1 STM32CubeMx配置

定时器1的模式和参数设置结果如图4.1所示。在模式设置中，设置Clock Source（时钟源）为“Internal Clock”（内部时钟；设置Channel1工作模式为“Output Compare CH1”，设置Channel2工作模式为“Output Compare CH2”，也就是使用输出比较功能。
Counter Settings组用于设置定时器的基本参数，主要设置结果如下。

PSC（预分频器数值）的值设置为168-1，所以计数器的时钟频率为 168M / （ 168 - 1 +1） = 1MHZ。
ARR（自动重装载值）设置为65535（最大），因为在输出比较模式中ARR的值没起作用，定义成最大的原因是不用频繁的更新CNT为0了。
图4.1 定时器TIM1的模式和参数设置(1)

Output Compare Channel 组是通道1和通道2的输出比较参数，配置如图4.2，各个参数的意义和设定值如下。

Mode，输出比较模式，有冻结、有效电平、翻转灯多种选择。这里设置为“Toggle on match”，也就是在计数器的值与CCR的值相等时，使CH1输出翻转。
Pulse，脉冲宽度，就是CCR的值，这里通道1的CCR值设置为5，所以通道1的脉冲宽度为 = 5 / （1 / 1MHz） = 5 / 1Mhz 秒
通道2的CCR值为30000，通道2的脉冲宽度为 30000 *（1 / 1MHz） = 30 ms
Output compare preload，设置CCR是否使用预装载功能。本示例不动态的修改CCR的值，设置为Enable和Disable无影响。
CH Polarity，通道极性。如果参数Mode设置为Active level on match 或Intactive level on match等与通道极性有关的模式，此参数就是输出的有效电平。本示例模式设置为匹配时输出翻转，此参数无关。

图4.2 Pulse脉冲宽度设置

4.4.2 代码设置

生成工程并打开，通过图4.3中的代码打开输出比较模式即可。
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图4.3 打开定时器TIM1输出比较模式(2)

	HAL_TIM_OC_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_1);  /* 启动TIM1通道1的输出比较 */
	HAL_TIM_OC_Start(&htim1,TIM_CHANNEL_2);  /* 启动TIM1通道2的输出比较 */

4.1 示例2

示例内容：在TIM1的通道1和通道2上输出两种频率不同的PWM。
见表4.1和图4.6的结果显示

4.4.1 示例框架及原理概述

PWM模式下同一定时器不同通道能够输出占空比不同，频率相同的PWM，输出比较模式下同一定时器不同通道可以输出占空比不同，频率不同的PWM。在本示例程序设置的整体思路如下：
输出比较模式在CNT与CCR不断做比较的过程中，若CNT等于CCR，产生的则是电平翻转，并且会产生中断，通过对中断回调函数HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback（）的编写，就能够实现多路不同频率信号的输出。
例如，我们进行如下操作：

定义OC_Channel1_Duty作为TIM1通道1的占空比，将OC_Channel1_Duty的值设置为 70%。
定义OC_Channel1_Pulse作为周期计数数目,OC_Channel1_Pulse y的值设置为 1000。
取ARR为最大值65535（在输出比较模式中ARR没起作用，CNT从ARR值溢出后，会重新从0开始计时，所以就ARR设置成最大后CNT就不用经常更新了）。
系统时钟为84MHz，预分频系数PSC设置为168-1（和示例1的值一样），则分频后的时钟频率为1MHz，那么当计pulse个数目时，所用的时间为1ms，占空比为70%，即所需高电平时间为0.7ms（如图）。
注：示例2是在回调函数里面自己重新配置的输出比较翻转方式，所以和示例1的周期计算略有差别，应当注意此细节变化。

当第一次CNT等于CCR时，进入中断回调函数HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback（），让CCR加上（pulse-pulse*duty），即0.3ms后再次进行反转电平，此时PWM持续了0.3ms的低电平；

当第二次CNT等于CCR是，进入中断回调函数，让CCR加上（pulse*duty），即0.7ms后再进行反转电平，此时PWM持续了0.7ms的高电平；这样即可完成输出比较PWM的配置。

4.4.2 STM32CubeMx配置

在示例示例1中的配置下STM32CubeMx需要进行两处修改。
1、在TIM1的“ NVIC Setting”配置里面打开定时器1中断设置，如图4.4。
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图4.4 定时器TIM1的中断设置

2、TIM中的两个通道的pulse数值可以设置为0，如图4.5所示，因为在程序中对Pulse的又进行了赋值，此处需要提到程序中用到的一个函数__HAL_TIM_SET_COMPARE（）（设置比较寄存器CCR的值），该函数的第三个参数就是设置的Pulse的值，就是在该函数的参数中对其进行了赋值。（也可以保持示例1的数值不变）

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图4.5 定时器TIM的pulse设置

4.4.3 代码设置

STM32CubeMx按4.4.1配置完成后就开始按如下步骤编写代码。
1、定义占空比和脉冲宽度。
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	uint32_t OC_Channel1_Pulse = 1000;  /* TIM1通道1的脉冲宽度 */
	uint32_t OC_Channel1_Duty = 70;			/* TIM1通道1的占空比 */
	uint32_t OC_Channel2_Pulse = 1200;	/* TIM1通道2的脉冲宽度 */
	uint32_t OC_Channel2_Duty = 50;			/* TIM1通道2的占空比 */

2、以中断凡是开始定时1的通道1和通道2输出比较模式。

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	HAL_TIM_OC_Start_IT(&htim1,TIM_CHANNEL_1);  /* 以中断方式启动TIM1通道1的输出比较 */
	HAL_TIM_OC_Start_IT(&htim1,TIM_CHANNEL_2);  /* 以中断方式启动TIM1通道2的输出比较 */

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void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	uint32_t OC_Count = 0;
	OC_Count = __HAL_TIM_GET_COUNTER(htim);	/* 读取定时器的当前计数值，就是读取TIM1_CNT寄存器的值 */
	if(htim->Instance == TIM1){			    /* 判断是否是定时器1 */
		if(htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1){	              /* 判断是否是通道1 */
			if(GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_9)){ /* 判断此时的电平是否为低电平 */
				__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,TIM_CHANNEL_1,OC_Count + OC_Channel1_Pulse - OC_Channel1_Duty * OC_Channel1_Pulse/100);/* 设置比较寄存器CCR的值--0.3ms的低电平 */
			}else{
				__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,TIM_CHANNEL_1,OC_Count + OC_Channel1_Duty * OC_Channel1_Pulse/100);/* 设置比较寄存器CCR的值--0.7ms的高电平 */
			}
		}else if(htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_2){ /* 判断是否是通道2 */
			if(GPIO_PIN_RESET == HAL_GPIO_ReadPin(GPIOE,GPIO_PIN_11)){
				__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,TIM_CHANNEL_2,OC_Count + OC_Channel2_Pulse - OC_Channel2_Duty * OC_Channel2_Pulse/100);
			}else{
				__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1,TIM_CHANNEL_2,OC_Count + OC_Channel2_Duty * OC_Channel2_Pulse/100);
			}
		}
	}
}

进入该回调函数，假如此时读到的OC_Count为100，读到的电平为低电平，则低电平的脉冲宽度会一直持续到计数值为400，计算公式(与程序中对应)：

100 + 1000 - 70 * 1000/100 = 400

当OC_Count计到400时，会进行翻转电平，并且再次进入回调函数，判断此时电平为高电平此时OC_Count为400，读取到的此时电平为高电平，则高电平的脉冲宽度会一直持续到计数值为1100，计算公式(与程序中对应)：

400 + 70 * 1000/100 = 1100

当OC_Count计到400时，会进行翻转电平，进入回调函数，重复上面的流程以此实现输出不同频率的占空比。

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图4.6 最终输出结果

表4.1 两种PWM比较

内容	PWM1（蓝线）	PWM2（红线）
频率	1Khz	833.3Hz
周期	1ms	1.2ms
高电平占空比	70%	50%
低电平占空比	30%	50%

参考书籍和文章：
《STM32Cube高效开发教程（基础篇）》王维波
《STM32F4xx中文参考手册》
《STM32F407 探索者开发指南》
《stm32输出比较模式与PWM模式总结》
《STM32-HAL库08-TIM的输出比较模式（输出PWM的另一种方式）》
《STM32 定时器输出比较模式和PWM输出模式的区别》

勇敢是当你还未开始就已经知道自己会输，可你依然要去做，而且无论如何都要把它坚持到底，你很少能赢，但有时也会。
——《杀死一只知更鸟》文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-843678.html

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