STM32-高级定时器

以STM32F407为例。

高级定时器

高级定时器比通用定时器增加了可编程死区互补输出、重复计数器、带刹车（断路）功能，这些功能都是针对工业电机控制方面。

功能框图

16位向上、向下、向上/向下自动重装载计数器。

16位可编程预分频器，1~65536。

多达4个独立通道，用于：

输入捕获

输出比较

PWM产生（边沿对齐模式和中心对齐模式）

单脉冲模式输出

具有可编程死区时间的互补输出。

用外部信号控制定时器的同步电路，并将多个定时器互连在一起。

重复计数器，仅在给定次数的计数器循环后更新定时器寄存器。

中断输入，使定时器的输出信号处于复位状态或已知状态。

中断/DMA生成以下事件：

更新：计数器溢出/下溢，计数器初始化（由软件或内部/外部触发）

触发事件（计数器启动、停止、初始化或由内部/外部触发计数）

输入捕获

输出比较

断路输入

支持增量（正交）编码器和霍尔传感器电路的定位目的。

触发输入外部时钟或逐周期电流管理。

时钟源

高级控制定时器可选四种时钟源：

内部时钟源CK_INT

外部时钟模式1：外部输入引脚TIx（x=1/2/3/4）

外部时钟模式2：外部触发输入ETR

内部触发输入ITRx（x=1/2/3/4）

内部时钟源CK_INT

时钟信号来自芯片内部，为主频168M（STM32F407为例）。一般情况下都是使用内部时钟。当从模式控制寄存器TIMx_SMCR：SMS位为000时使用内部时钟。

外部时钟模式1：外部输入引脚TIx（x=1/2/3/4）

时钟信号来自定时器的输入通道TI1/2/3/4，即TIMx_CH1/2/3/4。具体使用哪一路信号，由TIM_CCMRx：CCxS[1：0]配置。CCMR1控制TI1/2，CCMR2控制TI3/4。

如果来自外部时钟信号的频率过高或混杂有高频干扰信号的话，就需要使用滤波器对信号重新采样，来达到降频或者去除高频干扰的目的，具体由TIMx_CCMRx：ICxF[3：0]配置。

边沿检测的信号来自于滤波器的输出，在成为触发信号前需要进行边沿检测，决定是上升沿有效还是下降沿有效，具体由TIMx_CCER：CCxP和CCxNP位配置。

触发源有两个：滤波后的定时器输入1（TI1FP1）、滤波后的定时器输入2（TI1FP2），具体由TIMx_SMCR：TS[2：0]配置。

选定了触发源信号后，需要把信号连接到TRGI引脚，让触发信号成为外部时钟模式1的输入，最终等于CK_PSC，然后驱动计数器CNT计数。具体由TIMx_SMCR：SMS[2：0]配置，000时为外部时钟模式1。

经过上面的5个步骤后，最后只需使能计数器开始计数，外部时钟模式1的配置就算完成了。具体由TIMx_CR1：CEN位配置。

外部时钟模式2：外部触发输入ETR

时钟信号来自定时器的特定输入通道TIMx_ETR，只有一个。

外部触发极性来自ETR引脚输入的信号，可以选择上升沿有效还是下降沿有效，具体由TIMx_SMCR：ETP位配置。

由于ETRP的信号频率不得超过TIMx_CLK的1/4，当触发信号的频率很高时必须使用分频器来降频，具体由TIMx_SMCR：ETPS[1：0]配置。

如果ETRP的信号频率过高或混杂有高频干扰信号的话，就需要使用滤波器对信号重新采样，来达到降频或者去除高频干扰的目的，具体由TIMx_SMCRx：ETF[3：0]配置。fDTS是由内部时钟CK_INT分频得到，具体由TIMx_CR1：CKD[1：0]配置。

经过滤波器滤波的信号连接到ETPF引脚后，触发信号成为外部时钟模式2的输入，最终等于CK_PSC，然后驱动计数器CNT计数。具体由TIMx_SMCR：ECE位配置，1时为外部时钟模式2。

经过上面的5个步骤后，最后只需使能计数器开始计数，外部时钟模式2的配置就算完成了。具体由TIMx_CR1：CEN位配置。

内部触发输入ITRx（x=1/2/3/4）

内部触发输入是使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器。硬件上高级控制定时器和通用定时器在内部连接在一起，可以实现定时器同步和级联。主模式的定时器可以对从模式定时器只需复位、启动、停止或提供时钟。

高级控制定时器和部分通用定时器（TIM2~TIM5）可以设置为主模式或从模式，TIM9和TIM10可以设置为从模式。

如图，主模式定时器TIM1为从模式定时器TIM2提供时钟，即TIM1用作TIM2的预分频器。

控制器

触发控制器用来针对片内外设输出触发信号，比如为其它定时器提供时钟和触发DAC/ADC转换。

编码器接口专门针对编码器计数而设计。

从模式控制器可以控制计数器复位、启动、递增/递减、计数。

时基单元

高级控制定时器时基单元组成：计数器寄存器（CNT，16位有效）、预分频器寄存器（PSC，16位有效）、自动重装载寄存器（ARR，16位有效）、重复计数器寄存器（RCR，8位有效，高级定时器专有）。

PSC预分频器寄存器有一个输入时钟CK_PSC和一个输出时钟CK_CNT。输入时钟CK_PSC就是时钟源的输出，输出时钟CK_CNT用来驱动计数器CNT计数。通过设置预分频器PSC的值可以得到不同的CK_CNT，值为1~65536分频。

三种计数模式：递增、递减、中心对齐。

递增计数模式：计数器从0开始计数，每一CK_CNT脉冲，计数器就加1，直到计数器的值与ARR值相等，然后计数器又从0开始计数并生成计数器上溢事件，如此循环。如果禁用重复计数器，在计数器生成上溢事件就马上生成更新事件（UEV）；如果使能重复计数器，每生成一次上溢事件，重复计数器就减1，直到减为0时才会生成更新事件（UEV）。

递减计数模式：计数器从ARR值开始计数，每一CK_CNT脉冲，计数器就减1，直到计数器的值减为0，然后计数器又从ARR值开始计数并生成计数器下溢事件，如此循环。如果禁用重复计数器，在计数器生成下溢事件就马上生成更新事件（UEV）；如果使能重复计数器，每生成一次下溢事件，重复计数器就减1，直到减为0时才会生成更新事件（UEV）。

中心对齐模式：计数器从0开始递增，直到计数器的值与（ARR-1）值相等，生成计数器上溢事件。然后计数器又从ARR开始递减，直到计数器的值为1时生成计数器下溢事件。然后重新重0开始，如此循环。每次发送计数器上溢和下溢事件都会生成更新事件。

ARR自动重装载寄存器用来存放与CNT比较值。如果CNT值等于ARR值，就递减重复计数器。可以通过TIMx_CR1：ARPE位控制自动重装载影子寄存器功能，如果ARPE位置1，只有在事件更新时才把TIMx_ARR值赋给影子寄存器。如果ARPE位置0，则修改TIMx_ARR值时马上赋给影子寄存器。

在基本/通用定时器发生上溢/下溢事件时直接就生成更新事件，但对于高级控制定时器在硬件结构上多出了RCR重复计数器寄存器，在定时器发生上溢/下溢事件会递减重复计数器的值，当重复计数器的值为0时才生成更新事件。在发生N+1个上溢/下溢事件时产生更新事件（N为RCR的值）。

输入捕获

输入捕获可以对输入的信号上升沿、下降沿或双边沿进行捕获，常用的有测量输入信号的脉宽和测量PWM输入信号的频率和占空比。

大概原理是当捕获到信号的跳变沿时，把CNT计数器的值锁存到捕获寄存器CCR中，把前后两次捕获到的CCR寄存器中的值相减，就可以算出脉宽和频率。如果捕获的脉宽的时间长度超过捕获定时器的周期，就会发生溢出，需要额外做处理。

TIx为输入通道，需要被测量的信号从定时器的外部引脚TIMx_CH1/2/3/4进入。

当输入的信号存在高频干扰时，需要对输入信号进行滤波，根据采样定律（采样频率必须大于或等于两倍的输入信号），比如输入信号为1M，存在高频信号干扰时就要进行滤波，可以设置采样频率为2M，这样可以在保证采样到有效信号的基础上把高于2M的高频干扰信号过滤掉。

输入滤波器的配置由TIMx_CR1：CKD[1：0]和TIMx_CCMR1/2：ICxF[3：0]控制。根据ICxF位的描述，采样频率Fsample可以由Fck_int（内部时钟）和Fdts（Fck_int经过分频后的频率，分频因子由CKD[1：0]决定，1/2/4分频）分频后的时钟提供。

边沿检测器用来设置信号在捕获时什么边沿有效（上升沿、下降沿、双边沿），具体由TIMx_CCER：CCxP、CCxNP决定。

捕获通道：IC1/2/3/4。每个捕获通道都有对应的捕获寄存器CCR1/2/3/4，当发生捕获时，计数器CNT的值就会被锁存到捕获寄存器中。

输入通道TIx是用来输入信号的，捕获通道ICx是用来捕获输入信号的通道。一个输入通道的信号可以同时输入给两个捕获通道。比如TI1的信号经过滤波和边沿检测器后TI1FP1和TI1FP2可以进入到捕获通道IC1和IC2。输入通道和捕获通道的映射关系具体由TIMx_CCMR：CCxS[1：0]配置。

ICx的输出信号会经过预分频器，用于决定发生多少个事件时进行一次捕获。具体由TIMx_CCMR：ICxPSC配置。如果希望捕获信号的每一个边沿，则不分频。

经过预分频器的信号ICxPS是最终被捕获的信号，当发生捕获时（第一次），计数器CNT的值会被锁存到捕获寄存器TIMx_CCR中，还会产生CCxI中断，相应的中断位CCxIF（在SR寄存器中）会被置位，通过软件或读取CCR的值可以将CCxIF清0。如果发生第二次捕获（即重复捕获，CCR寄存器中已捕获到计数器值且CCxIF标志已置1），则捕获溢出标志位CCxOF（在SR寄存器中）会被置位，CCx_OF只能通过软件清零。

输出比较

输出比较就是通过定时器的外部引脚对外输出控制信号。

输出比较八种模式：冻结、将通道x（x=1/2/3/4）设置为匹配时输出有效电平、将通道x（x=1/2/3/4）设置为匹配时输出无效电平、翻转、强制变为无效电平、强制变为有效电平、PWM1和PWM2。具体有寄存器CCMRx：OCxM[2：0]配置，PWM模式是输出比较的特例，使用的也最多。

当计数器CNT的值跟比较寄存器CCR的值相等时，输出参考信号OCxREF的信号极性就会发生改变（OCxREF=1，是有效电平；OCxREF=0，是无效电平），并且会产生比较中断CCxl，SR寄存器中的标志位CCxIF会置位。然后OCxREF再经过一系列的控制后就成为真正的输出信号OCx/OCxN。

输出比较的输出信号最终是通过定时器的外部IO来输出的，分别是CH1/2/3/4，其中前面三个通道还有互补的输出通道CH1N/2N/3N。

死区发生器

在生成的参考信号OCxREF的基础上，可以插入死区时间，用于生成两路互补的输出信号OCx和OCxN。死区时间的大小具体由BDTR：DTG[7：0]配置。死区时间的大小必须根据与输出信号相连接的器件及其特性来调整。

举个例子：带死区的PWM信号的应用，以一个半桥驱动电路为例。

在这个半桥驱动电路，Q1导通、Q2截止。如果想让Q1截止、Q2导通，肯定是先让Q1截止一段时间，再等待一段时间才让Q2导通，这个等待时间就是死区时间。

因为Q1关闭需要时间（由MOS管的工艺决定），如果Q1关闭后马上打开Q2，那么此时一段时间内相当于Q1和Q2都导通了，电路会短路。

输出控制

在输出比较的输出控制中，参考信号OCxREF在经过死区发生器后会产生两路带死区的互补信号OCx_DT和OCxN_DT（通道1~3才有互补信号，通道4没有），这两路带死区的互补信号然后进入输出控制电路。如果没有加入死区控制（不经过死区发生器），那么进入输出控制电路的信号就直接是OCxREF。

进入输出控制电路的信号会被分为两路（一路为原始信号，一路为被反向的信号），具体由CCER：CCxP、CCxNP位控制。经过极性选择的信号是否由OCx引脚输出到外部引脚CHx/CHxN则由CCER：CxE/CxNE位配置。

如果加入了断路（刹车）功能，则断路和死区寄存器TIMx_BDTR：MOE、OSSI和OSSR位会共同影响输出的信号。

断路功能

断路功能就是电机控制的刹车功能。使能断路功能时，根据相关控制位状态修改输出信号电平。在任何情况下，OCx和OCxN输出都不能同时为有效电平，这关系到电机控制常用的H桥电路结构原因。

断路源可以是时钟故障事件，其内部复位时钟控制器的时钟安全系统（CSS）生成，也可以是外部断路输入IO，两者是或运算关系。

系统复位启动都默认关闭断路功能，将断路和死区寄存器TIMx_BDTR：BKE=1，使能断路功能。可通过TIMx_BDTR：BKP位设置断路输入引脚的有效电平，为1时输入BRK为高电平有效，否则低电平有效。

发生断路时，将产生以下效果：

TIMx_BDTR：MOE主输出模式使能位被清零，输出处于无效、空闲或复位状态。

根据相关控制位状态去控制输出通道引脚电平；当使能通道互补输出时，会根据情况自动控制输出通道电平。

将TIMx_SR：BIF位置1，并可产生中断和DMA传输请求。

如果TIMx_BDTR：AOE自动输出使能位置1，则MOE位会在发生下一个UEV事件时自动再次置1。