嵌入式系统原理及应用-基于STM32和RT-Thread 课件 第5章 定时器

嵌入式系统原理及应用第5章定时器1定时/计数器基本概念2STM32定时器3TIM应用实例45课后作业本章总结定时器与计数器的概念和区别定时器基本问题5.1定时/计数器基本概念定时器分类本节小结5.1.1定时器与计数器的概念和区别定时器/计数器是MCU基本功能之一，在实际应用中主要用于精确定时和外部计数，通常简称为定时器。基于前后台的时间片轮询架构中的时间片就是由定时器产生的，即由一个定时器产生精确定时，主程序根据时间片选择执行相应的任务。STM32微控制器提供基本定时器、通用定时器、高级定时器等多种不同性能的定时器以满足不同场合应用需求。5.1.1定时器与计数器的概念和区别定时器是对周期固定的MCU内部外设时钟信号进行计数，当达到计数值时会产生中断，从而达到精确定时的目的。如脉冲信号周期为1ms，要产生1s精确定时，则可设置定时器从0开始向上递增计数，当计数值达到1000时触发中断。计数器是对周期不确定的外部脉冲进行计数，通常用于统计一段时间内外部脉冲个数，可用于信号频率测量、旋转设备转速测量、流水线工件计数等应用。5.1.1定时器与计数器的概念和区别本质上，定时器和计数器都是计数器，区别是计数对象不同，所对应的应用场景也不同，定时器可看成计数器的一种特例。由于精确定时是定时器/计数器的最基本功能，因此，行业内通常将定时器/计数器简称为定时器。5.1.2定时器基本问题定时器应用中通常会面临四个基本问题，即周期、位数、计数值和中断处理。周期即每秒钟脉冲个数。定时器的位数决定了定时器的计数最大值，如八位定时器计数最大值为255，十六位定时器计数最大值为65535。计数值指定时器要计的脉冲个数，通过设置计数初值和计数终止即可确定计数值。中断处理是脉冲个数达到定时器计数值时要进行的中断服务。5.1.2定时器基本问题容量为300ml，原有水100ml，注水速度为1ml/s，量杯中水量为200时，停止注水，并将水倒入反应罐中。对应到定时器上，则计数最大值为300，计数初值为100，计数终值为200，可实现100s的精确定时，将水倒入反应罐为中断处理。如果要实现50s的精确定时，可以设置计数初值为200（100），计数终值为250（150），只要保证终值-初值为50即可。5.1.3定时器分类STM32L431RCT6微控制器有1个滴答定时器，1个IWDG，1个WWDG，1个RTC，2个低功耗定时器，1个高级定时器（TIM1），3个通用定时器（TIM2、TIM15和TIM16），2个基本定时器（TIM6和TIM7）。5.1.3定时器分类（1）滴答定时器STM32的滴答定时器（systemticktimer,SysTick）是一个24位的定时器，具有自动重载和溢出中断功能。主要用于产生操作系统的时钟节拍，方便系统在不同系列MCU的移植。此外，在前后台架构中还可以产生延时，如HAL_Delay函数就是用SysTick实现的ms延时函数。5.1.3定时器分类（2）看门狗定时器看门狗定时器主要作用是当系统异常时自动复位，STM32提供了一个独立看门狗定时器（Independentwatchdog,IWGD）和一个系统窗口看门狗定时器（Systemwindowwatchdog,WWDG）。5.1.3定时器分类（3）实时时钟STM32的实时时钟（Real-timeclock,RTC）是一个独立的BCD（binary-codeddecimal，二进制表示十进制）定时器，为VBAT提供独立电源（通常采用纽扣电池）后，即使系统断电，RTC仍可继续运行，主要用于记录时间，提供日历。5.1.3定时器分类（4）低功耗定时器STM32L系列MCU具有多个低功耗定时器（Low-powertimer,LPTIM），LPTIM具有独立的时钟，可以在停止模式（stopmode）下运行，主要用于功耗管理。5.1.3定时器分类（5）常规定时器常规定时器包括高级定时器、通用定时器和基本定时器主要功能高级定时器TIM1通用定时器TIM2/15/16基本定时器TIM6/7内部时钟源（8MHz）●●●带16位分频的计数单元●●●更新中断和DMA●●●计数方向向上、向下、双向向上、向下、双向向上外部事件计数●●○本节小结理解定时/计数器概念；掌握定时器基本问题；了解定时器分类。TIM内部电路脉冲宽度调制5.2STM32定时器本节小结5.2.1TIM内部电路结构输入捕获：高电平持续时间输出比较：PWM时基单元时钟源定时外部计数定时器级联5.2.1TIM内部电路结构1.时基单元预分频器是一个16位的寄存器，其作用是对计数时钟（CK_PSC）进行0~65535分频。如计数时钟为80MHz，预分频器值为79，则计数时钟经预分频器80（79+1）分频后，将分频后的时钟（CK_CNT）输入至计数器，计数器的值每1us改变1次。系统时钟是80MHz，1ms定时，则PSC=？，ARR=？PSC=8000-1ARR=10-11us5.2.1TIM内部电路结构1.时基单元计数器对CK_CNT进行计数，如设置为向上计数模式，则每个CK_CNT周期，TIMx_CNT值加1，TIMx_CNT值达到终值时，产生溢出事件，进而触发中断。如设置为向下计数模式，则每个CK_CNT周期，TIMx_CNT值减1，当其值减为0时，产生触发事件，触发中断。5.2.1TIM内部电路结构1.时基单元自动重装载寄存器用于自动设置寄存器的计数终值或计数初值，当计数模式为向上计数时，产生溢出事件后，自动重装载寄存器的值作为计数终值自动填入计数器（计数初值为0），当计数模式为向下计数时（计数终值为0），产生溢出事件后，自动重装载寄存器的值作为计数初值自动填入计数器。5.2.1TIM内部电路结构2.捕获比较单元一般通用定时器具有4路输入捕获/输出比较通道（TIMx_CH1、TIMx_CH2、TIMx_CH3和TIMx_CH4）。输入捕获/输出比较的核心是捕获/比较寄存器（CCR），每个输入捕获/输出比较通道都具有独立的捕获/比较寄存器。输入捕获/输出比较通道的输入信号经多路复用、输入滤波器、边沿检测器和预分频器后更新值捕获比较寄存器。捕获比较寄存器与计数器进行比较，当捕获比较寄存器的值大于或小于计数器的值时，会产生输入捕获事件、比较输出事件或输出脉冲信号。5.2.2脉冲宽度调制1.PWM参数PWM信号具有三个基本参数，即周期、频率和占空比。周期是一个完整的PWM波形所持续的时间；频率是周期的倒数，即1s内完整PWM波形的个数，单位为Hz；占空比是高电平持续时间与周期之比，用百分比表示。脉冲宽度调制（Pulse-WidthModulation，PWM）简称脉宽调制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，可以利用MCU的数字输出，通过对一系列脉冲宽度进行调制，实现对模拟电路的控制，广泛应用于测量、通信、工控等领域。5.2.2脉冲宽度调制PWM对模拟信号编码的本质是将脉冲信号加到模拟负载，高电平时提供直流输出，低电平时断开直流输出。理论上，通过对高电平和低电平的时间控制，可以输出任意不大于高电平电压的模拟电压，输出电压为高电平电压与占空比的乘积。2.PWM电压调节原理任何时候，都能输出平均电压？5.2.2脉冲宽度调制STM32通用定时器和高级定时器具有PWM输出功能，通过设置预分频器（PSC）、自动重装载寄存器（ARR）和捕获比较寄存器（CCR）值可获得任意周期（频率）和占空比的PWM输出。3.STM32输出PWM原理PSC和ARR用于控制PWM的周期，CCR用于控制PWM的占空比。当周期确定后，每个周期CNT值加1，并与CCR值比较，当CNT值小于CCR值时，CH通道输出高电平，当CNT值大于CCR值时，CH通道输出低电平，当CNT值等于ARR值时，CNT值自动置零，重新开始计数并与CCR值进行比较，进而实现连续的PWM输出。5.2.2脉冲宽度调制CH通道输出信号与计数方向、PWM模式和输出极性均有关系。输出极性包括高和低两种极性，决定了CH输出的有效电平，如极性为高则有效电平为高电平，反之有效电平为低电平。当计数方向为向上或向下计数时，PWM有两种模式，即PWM模式一和PWM模式二。4.CH输出信号与计数方向、PWM模式和输出极性的关系计数方向CNT与CCRPWM模式PWM模式一PWM模式二向上计数CNT<CCR有效电平无效电平CNT>CCR无效电平有效电平向下计数CNT<CCR无效电平有效电平CNT>CCR有效电平无效电平本节小结1.掌握TIM计数原理；2.掌握PWM电压调节原理；3.掌握STM32的PWM输出原理。TIM应用实例1——精确定时TIM应用实例2——PWM控制状态指示灯5.3应用实例本节小结5.3.1TIM应用实例1——精确定时1.电路原理及需求分析采用按键控制LED，按键和LED相关电路原理图如图所示，按键一段接高电平，另一端经限流电阻接GPIO引脚，下方电容和电阻构成硬件消抖电路，按键松开时读取引脚为低电平，按键按下时读取引脚为高电平。5.3.1TIM应用实例1——精确定时1.电路原理及需求分析（1）LED1（PA0）用于指示系统工作状态，上电或复位后，系统进行初始化，初始化完成后，LED1先以0.5s的间隔闪烁3次，然后进入正常运行状态，LED1以1s的间隔闪烁。（2）按键K1通过轮询的方式控制LED2，每按一次K1，LED2状态发生一次改变。（3）按键K2通过外部中断的方式控制LED2，每按一次K1，LED2状态发生一次改变。5.3.1TIM应用步骤1——精确定时2.实现过程（1）创建工程及最小系统配置。（2）定时器配置。（3）编程实现工程。5.3.1TIM应用步骤2——PWM控制状态指示灯1.电路原理及需求分析采用按键控制LED，按键和LED相关电路原理图如图所示，按键一段接高电平，另一端经限流电阻接GPIO引脚，下方电容和电阻构成硬件消抖电路，按键松开时读取引脚为低电平，按键按下时读取引脚为高电平。1.电路原理及需求分析（1）LED1（PA0）用于指示系统工作状态，上电或复位后，系统进行初始化，初始化完成后进入正常运行状态,LED1以1s的改变亮度，亮度共10级，从亮度1逐渐变为亮度10，再从亮度10变为亮度1，以此循环。（2）按键K1通过轮询的方式控制LED2，每按一次K1，LED2状态发生一次改变。（3）按键K2通过外部中断的方式控制LED2，每按一次K1，LED2