第三章 定时器与PWM：让电机听话的艺术

各位同学，今天我们来聊聊嵌入式控制里最实用的模块——定时器与PWM。说实话，我做了十几年嵌入式开发，用到的外设里，定时器的出场率绝对排前三。无论是控制舵机、驱动电机，还是测量脉冲宽度，都离不开它。

STM32的定时器功能非常强大，但很多人一开始会被它的复杂性吓到。别担心，我们一步步来拆解。

3.1 STM32通用定时器原理

STM32的定时器分三类：基本定时器、通用定时器、高级定时器。我们最常用的是通用定时器，比如TIM2、TIM3、TIM4、TIM5。

它的核心结构其实很简单：一个16位（或32位）的计数器，一个预分频器，几个捕获/比较通道。说白了，就是计数器从0数到某个值，然后触发各种事件。

我个人习惯把定时器想象成一个「电子秒表」：

• 预分频器（PSC）：相当于给秒表降频。比如72MHz的时钟，分频后变成1MHz，计数器每1微秒加1。
• 自动重装载寄存器（ARR）：就是你要数的最大值。数到ARR就归零，产生更新事件。
• 计数器（CNT）：当前计数值，一直在跑。

举个例子，你想产生1ms的中断：

// 假设时钟72MHz，预分频72-1，则计数频率1MHz
TIM_TimeBaseInitTypeDef tim;
tim.TIM_Prescaler = 72 - 1;      // 72分频，得到1MHz
tim.TIM_Period = 1000 - 1;       // 计数值1000，即1ms
tim.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &tim);
TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

嗯，这里要注意：预分频器和周期值都要减1，因为计数器是从0开始数的。

3.2 PWM输出控制舵机/电机

PWM，全称脉冲宽度调制。说白了就是输出一串方波，通过改变高电平占的比例（占空比）来控制设备。

舵机控制：舵机看的是脉冲宽度，不是占空比。标准舵机要求20ms周期，脉宽0.5ms~2.5ms对应0°~180°。

我在项目中遇到过一个问题：用TIM3的CH1输出PWM控制舵机，结果舵机一直抖。查了半天，发现是PWM频率不对。标准舵机要求50Hz（20ms周期），而我设成了1kHz。

// 配置TIM3_CH1输出PWM
TIM_OCInitTypeDef oc;
oc.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
oc.TIM_Pulse = 1500;          // 初始中位
oc.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
oc.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM3, &oc);
TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

// 改变角度
TIM_SetCompare1(TIM3, 2000);  // 转到约120°

直流电机控制：电机看的是占空比，频率一般选10kHz~20kHz。频率太低电机会嗡嗡响，频率太高MOS管开关损耗大。

我曾经做过一个平衡小车项目，电机PWM频率设成了100Hz，结果电机噪音大得吓人，而且低速时根本转不动。后来改成10kHz，问题就解决了。

3.3 输入捕获测量脉冲宽度

输入捕获，就是测量外部信号的脉宽或频率。原理很简单：当检测到边沿时，把当前计数器的值锁存到捕获寄存器。

测量高电平脉宽的步骤：

1. 配置捕获通道为上升沿触发
2. 捕获到上升沿时，记录当前CNT值（记为t1）
3. 立即切换为下降沿触发
4. 捕获到下降沿时，记录当前CNT值（记为t2）
5. 脉宽 = (t2 - t1) × 计数周期

// 输入捕获初始化（TIM3_CH1）
TIM_ICInitTypeDef ic;
ic.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
ic.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;  // 先上升沿
ic.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
ic.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
ic.TIM_ICFilter = 0x0;
TIM_ICInit(TIM3, &ic);

// 中断中切换边沿
void TIM3_IRQHandler(void) {
    if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_CC1)) {
        uint16_t val = TIM_GetCapture1(TIM3);
        static uint16_t t_rise;
        static uint8_t state = 0;
        
        if(state == 0) {  // 上升沿
            t_rise = val;
            TIM_OC1PolarityConfig(TIM3, TIM_ICPolarity_Falling);
            state = 1;
        } else {           // 下降沿
            uint16_t width = val - t_rise;
            // width就是脉宽（计数个数）
            TIM_OC1PolarityConfig(TIM3, TIM_ICPolarity_Rising);
            state = 0;
        }
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_CC1);
    }
}

3.4 编码器模式测速

编码器模式，是STM32定时器的一个隐藏技能。它可以直接读取正交编码器的A、B相脉冲，自动计算位置和方向。

为什么用编码器？因为普通IO口读脉冲，容易丢步，而且还要自己判断方向。编码器模式硬件自动处理，精度高、不丢步。

配置要点：

• 编码器模式有3种：TI1、TI2、TI1和TI2。一般用TI1和TI2（4倍频模式），精度最高。
• 计数器在A相上升沿、下降沿，B相上升沿、下降沿都计数，所以4倍频。
• 方向由A、B相相位差决定：A超前B为正转，B超前A为反转。

// 编码器模式配置（TIM3_CH1和CH2接编码器）
TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, 
    TIM_EncoderMode_TI12,           // 4倍频
    TIM_ICPolarity_Rising,          // 不反相
    TIM_ICPolarity_Rising);

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);

// 读取位置
int16_t pos = TIM_GetCounter(TIM3);  // 有符号数，自动处理方向

// 测速：每隔固定时间读取一次，差值就是速度
static int16_t last_pos = 0;
int16_t speed = pos - last_pos;  // 速度值（脉冲数/采样周期）
last_pos = pos;

我记得有一次做AGV小车，编码器模式死活读不出数据。查了半天，发现是编码器的A、B相接反了。交换一下就好了。所以大家接线时一定要注意相位顺序。

好了，这一章的内容就到这里。定时器和PWM是嵌入式控制的基石，掌握了它们，你就能让电机听话、让舵机精准定位。下一章我们聊聊PID控制，那才是真正让系统稳定运行的核心算法。