第3章定时器基础与应用

第三章定时器基础与应用

定时器这东西，说白了就是单片机的「心跳」。我做了这么多年嵌入式开发，可以负责任地告诉你——谁掌握了定时器，谁就掌握了嵌入式系统的节奏。今天咱们就把系统滴答定时器、通用定时器、高级定时器，还有编码器接口模式，一次性讲透。

本章核心脉络：

SysTick：操作系统的「节拍器」
通用定时器：PWM输出 + 输入捕获
高级定时器：互补PWM + 死区时间
编码器接口：电机位置反馈

3.1 系统滴答定时器（SysTick）—— 操作系统的「节拍器」

SysTick 是 Cortex-M 内核自带的 24 位递减计数器。你想想看，为什么每个 ARM 芯片都有它？因为它是为操作系统量身定做的。

我个人习惯，不管跑不跑 RTOS，都会先初始化 SysTick。为什么？因为它能提供一个精准的 1ms 时基，做延时、做超时判断都特别方便。

我的经验：在裸机开发中，我经常用 SysTick 做「软件定时器池」。一个中断服务函数里轮询多个标志位，比用硬件定时器挨个配置省事多了。

SysTick 寄存器一览

寄存器	功能	关键位
SYST_CSR	控制与状态	ENABLE(0)、TICKINT(1)、CLKSOURCE(2)
SYST_RVR	重装载值	24位，决定中断周期
SYST_CVR	当前计数值	读清零，写清0
SYST_CALIB	校准值	厂家提供，一般不用

配置其实很简单。假设系统时钟 72MHz，想要 1ms 中断一次：

void SysTick_Init(void)
{
    // 1. 关闭SysTick，确保配置期间不产生意外中断
    SYST_CSR = 0x00;
    
    // 2. 设置重装载值：72MHz / 1000 = 72000
    SYST_RVR = 72000 - 1;  // 注意：减1是因为从0开始计数
    
    // 3. 清空当前计数值
    SYST_CVR = 0;
    
    // 4. 使能：使用处理器时钟 + 使能中断 + 启动定时器
    SYST_CSR = 0x07;  // CLKSOURCE=1, TICKINT=1, ENABLE=1
}

我曾经踩过的坑：有次把 SYST_RVR 写成了 72000，结果中断周期变成了 1.0000139ms。虽然误差很小，但在做高精度时间同步时，累积误差会越来越大。记住：重装载值 = 时钟频率 / 目标频率 - 1。

中断服务函数怎么写？

volatile uint32_t SysTick_Count = 0;

void SysTick_Handler(void)
{
    SysTick_Count++;
    
    // 这里可以放你的轮询任务
    // 比如：每10ms扫描一次按键
    if (SysTick_Count % 10 == 0) {
        Key_Scan();
    }
}

// 毫秒延时函数
void delay_ms(uint32_t ms)
{
    uint32_t start = SysTick_Count;
    while ((SysTick_Count - start) < ms);
}

嗯，这里要注意：SysTick_Count 一定要用 volatile 修饰，否则编译器优化后会出大问题。我见过有人 debug 时正常，release 版就死机，查了半天发现是 volatile 丢了。

3.2 通用定时器——PWM输出与输入捕获

通用定时器比 SysTick 灵活得多。它通常有 4 个独立通道，每个通道都可以配置成输出比较或输入捕获。说白了，输出比较就是定时器到了某个值就翻转引脚，输入捕获就是记录外部信号跳变时的计数值。

3.2.1 PWM 输出——让 LED 呼吸起来

PWM 的核心就三个参数：频率、占空比、极性。我建议你先把频率定下来，再调占空比。

void TIM_PWM_Init(void)
{
    // 以TIM2为例，输出PA0
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
    
    // 配置PA0为复用功能AF1（TIM2_CH1）
    GPIOA->MODER |= GPIO_MODER_MODER0_1;  // 复用模式
    GPIOA->AFR[0] |= 0x01;                // AF1
    
    // 定时器配置
    TIM2->PSC = 72 - 1;     // 72MHz / 72 = 1MHz
    TIM2->ARR = 1000 - 1;   // 1MHz / 1000 = 1kHz PWM频率
    
    // 通道1配置为PWM模式1
    TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2;  // PWM模式1
    TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1PE;  // 预装载使能
    TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E;     // 使能输出
    
    // 设置占空比50%
    TIM2->CCR1 = 500;
    
    // 使能定时器
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

// 动态调整占空比
void PWM_SetDuty(uint16_t duty)
{
    if (duty > 1000) duty = 1000;
    TIM2->CCR1 = duty;
}

我的习惯：PWM 频率选 1kHz 以上，人眼就看不到闪烁了。做电机控制时，我一般用 10kHz~20kHz，既能避免噪音，又能保证控制精度。

3.2.2 输入捕获——测量脉冲宽度

输入捕获说白了就是「守株待兔」。定时器一直在跑，当外部信号跳变时，硬件自动把当前计数值锁存到捕获寄存器里。

volatile uint32_t IC_Value1, IC_Value2;
volatile uint8_t  IC_Complete = 0;

void TIM_IC_Init(void)
{
    // 配置TIM3_CH1 (PA6) 为输入捕获
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;
    
    TIM3->PSC = 72 - 1;     // 1MHz计数
    TIM3->ARR = 0xFFFF;     // 最大计数值
    
    // 通道1配置为输入捕获，上升沿触发
    TIM3->CCMR1 |= TIM_CCMR1_CC1S_0;  // 映射到TI1
    TIM3->CCER |= TIM_CCER_CC1E;      // 使能捕获
    TIM3->CCER &= ~TIM_CCER_CC1P;     // 上升沿
    
    // 使能中断
    TIM3->DIER |= TIM_DIER_CC1IE;
    NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);
    
    TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

void TIM3_IRQHandler(void)
{
    if (TIM3->SR & TIM_SR_CC1IF) {
        TIM3->SR &= ~TIM_SR_CC1IF;
        
        if (!IC_Complete) {
            IC_Value1 = TIM3->CCR1;  // 第一次捕获
            // 切换为下降沿
            TIM3->CCER |= TIM_CCER_CC1P;
            IC_Complete = 1;
        } else {
            IC_Value2 = TIM3->CCR1;  // 第二次捕获
            // 切换回上升沿
            TIM3->CCER &= ~TIM_CCER_CC1P;
            
            // 计算脉宽
            uint32_t pulse = (IC_Value2 > IC_Value1) ? 
                             (IC_Value2 - IC_Value1) : 
                             (0xFFFF - IC_Value1 + IC_Value2);
            // pulse 的单位是 1us
            IC_Complete = 0;
        }
    }
}

我曾经遇到的坑：测量低频信号时，如果计数值溢出了怎么办？我的做法是开启定时器的更新中断（UIE），在溢出中断里记录溢出次数。这样就能测量任意宽度的脉冲了。

3.3 高级定时器——互补PWM与死区时间

高级定时器是通用定时器的「Pro Max」版本。它多了什么？互补输出、死区插入、刹车功能。这些在电机控制、逆变器、开关电源里是标配。

3.3.1 互补PWM——H桥驱动的灵魂

你想想看，驱动一个 H 桥，上管和下管不能同时导通，否则就是短路。互补 PWM 就是让上下管交替导通，中间留一个「死区时间」。

void TIM1_ComplementaryPWM_Init(void)
{
    // TIM1是高级定时器，挂在APB2上
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_TIM1EN;
    
    TIM1->PSC = 0;           // 不分频
    TIM1->ARR = 7200 - 1;    // 10kHz PWM (72MHz/7200)
    
    // 通道1配置为PWM模式1
    TIM1->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2;
    TIM1->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1PE;
    
    // 使能主输出和互补输出
    TIM1->CCER |= TIM_CCER_CC1E;   // CH1输出
    TIM1->CCER |= TIM_CCER_CC1NE;  // CH1N互补输出
    
    // 设置死区时间
    // BDTR寄存器的DTG[7:0]控制死区
    // 假设系统时钟72MHz，死区时间 = DTG * 1/72MHz
    TIM1->BDTR |= 72;  // 死区时间 = 1us
    
    // 使能刹车和死区寄存器
    TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_MOE;  // 主输出使能
    
    TIM1->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

死区时间怎么选？

MOSFET 驱动：一般 100ns ~ 500ns
IGBT 驱动：需要 1us ~ 5us
继电器驱动：可以到 10ms

选小了会烧管子，选大了效率低。我一般留 20% 的余量。

3.3.2 刹车功能——紧急停机的保障

高级定时器还有一个很贴心的功能：刹车输入（Break Input）。当检测到故障信号时，硬件自动把 PWM 输出强制拉到安全电平。

// 配置刹车功能
TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_BKE;    // 使能刹车输入
TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_BKP;    // 刹车输入高电平有效
TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_AOE;    // 自动输出使能（刹车解除后恢复）

// 刹车时的输出状态
// 可以配置为：高阻态、强制高、强制低
TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_OSSI;   // 空闲时输出使能
TIM1->BDTR |= TIM_BDTR_OSSR;   // 运行时空闲状态

我的经验：刹车功能一定要接硬件故障信号，比如过流保护、过温保护。不要只依赖软件判断，硬件刹车比软件中断快至少一个数量级。

3.4 编码器接口模式——电机的位置「眼睛」

编码器接口模式，说白了就是让定时器自动处理编码器的 A、B 相信号。你不需要写代码去判断正反转，硬件帮你算好了。

工作原理

编码器接口模式使用 TI1 和 TI2 两个输入通道。定时器根据两路信号的相位差，自动决定是加计数还是减计数。

信号状态	计数方向	说明
A 领先 B 90°	递增	正转
B 领先 A 90°	递减	反转
A 和 B 同时变化	×2 或 ×4 计数	分辨率翻倍

void TIM_Encoder_Init(void)
{
    // 以TIM4为例，PB6(TIM4_CH1), PB7(TIM4_CH2)
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM4EN;
    
    TIM4->PSC = 0;  // 不分频，直接计数
    
    // 配置编码器模式：TI1和TI2都计数（×4模式）
    TIM4->SMCR |= TIM_SMCR_SMS_0 | TIM_SMCR_SMS_1;  // 编码器模式3
    
    // 配置输入滤波
    TIM4->CCMR1 |= TIM_CCMR1_IC1F_0 | TIM_CCMR1_IC1F_1;  // 8个采样点滤波
    TIM4->CCMR1 |= TIM_CCMR1_IC2F_0 | TIM_CCMR1_IC2F_1;
    
    // 使能输入
    TIM4->CCER |= TIM_CCER_CC1E;
    TIM4->CCER |= TIM_CCER_CC2E;
    
    // 设置自动重装载为最大值
    TIM4->ARR = 0xFFFF;
    
    TIM4->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

// 读取编码器位置
int16_t Encoder_GetPosition(void)
{
    return (int16_t)TIM4->CNT;
}

// 清零位置
void Encoder_ResetPosition(void)
{
    TIM4->CNT = 0;
}

我曾经踩过的坑：编码器线太长，信号有毛刺，导致计数不准。后来加了硬件滤波（RC 低通）和软件滤波（连续采样三次取中值），问题才解决。另外，编码器接口的 CNT 寄存器是 16 位的，记得用 int16_t 读取，否则正反转会出问题。

速度测量——M法 vs T法

测速度有两种常用方法：

M法（测频法）：固定时间窗口内计数。适合高速场景。
T法（测周法）：测量两个脉冲的时间间隔。适合低速场景。

// M法测速：每100ms读取一次计数值
uint16_t last_cnt = 0;
uint16_t speed = 0;

void Speed_Measure_M_Method(void)
{
    uint16_t current_cnt = TIM4->CNT;
    uint16_t delta = current_cnt - last_cnt;
    last_cnt = current_cnt;
    
    // 速度 = 脉冲数 / 时间 / 编码器线数 × 60 (RPM)
    // 假设编码器1000线，时间窗口100ms
    speed = (delta * 600) / 1000;  // 单位：RPM
}

我的建议：实际项目中，我通常把 M 法和 T 法结合起来用。高速用 M 法，低速自动切换为 T 法，这样全速域都能保证精度。

好了，定时器的核心内容就这些。从 SysTick 的系统节拍，到通用定时器的 PWM 和捕获，再到高级定时器的互补输出和编码器接口，每个模块都是工业控制里的「基本功」。你把这些吃透了，大部分电机控制、信号测量的场景都能应对。

记住我的一句话：定时器不是万能的，但没有定时器是万万不能的。多动手写代码，多拿示波器看波形，比看十遍文档都管用。

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321

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第三章 定时器基础与应用

3.1 系统滴答定时器（SysTick）—— 操作系统的「节拍器」

SysTick 寄存器一览

中断服务函数怎么写？

3.2 通用定时器——PWM输出与输入捕获

3.2.1 PWM 输出——让 LED 呼吸起来

3.2.2 输入捕获——测量脉冲宽度

3.3 高级定时器——互补PWM与死区时间

3.3.1 互补PWM——H桥驱动的灵魂

3.3.2 刹车功能——紧急停机的保障

3.4 编码器接口模式——电机的位置「眼睛」

工作原理

速度测量——M法 vs T法

第三章定时器基础与应用