STM32通用定时器详解：工作原理、中断与PWM输出配置实战

定时器作为微控制器不可或缺的外设，在STM32开发中扮演着核心角色。尽管其内部结构相对复杂，但只要掌握了GPIO、串口通信等基础外设，理解定时器的工作原理并加以应用并非难事。

定时器基本介绍

1.1 STM32定时器

简单来说，定时器就是存在于STM32单片机中的一个用于精确计时的外设模块。STM32F103系列总共有8个定时器，分别是2个高级定时器（TIM1、TIM8），4个通用定时器（TIM2、TIM3、TIM4、TIM5）和2个基本定时器（TIM6、TIM7），具体型号分布如下表所示：

这三种定时器的主要区别在于其功能丰富程度：

概括来讲：高级定时器具备完整的捕获/比较通道和互补输出功能；通用定时器拥有捕获/比较通道；而基本定时器则没有以上两者，功能最为基础。

1.2 通用定时器功能和特点

在实际项目中，我们最常使用的是高级定时器和通用定时器，且高级定时器也常被配置为通用功能。下面以通用定时器为例，详细罗列其核心功能与特点：

• 位于低速的 APB1总线上。
• 具备16位向上、向下、向上/向下（中心对齐） 计数模式，并包含自动装载计数器（TIMx_CNT）。
• 拥有16位可编程预分频器（TIMx_PSC），可在1～65535之间任意设置分频系数，并且支持运行时修改。
• 提供4个独立通道（TIMx_CH1~4），这些通道可用于：输入捕获、输出比较、PWM生成（边沿或中心对齐模式）、单脉冲模式输出。
• 支持使用外部信号（TIMx_ETR） 控制定时器，以及定时器之间的互连同步。
• 在以下事件发生时可以产生中断或DMA请求（共6个独立的IRQ/DMA请求生成器）：
  • 更新事件：计数器向上/向下溢出，或计数器被初始化。
  • 触发事件：计数器启动、停止、初始化或由内/外部触发计数。
  • 输入捕获事件。
  • 输出比较事件。
  • 支持针对定位的增量（正交）编码器和霍尔传感器电路。
• STM32的通用定时器常用于测量输入信号的脉冲宽度（输入捕获） 或产生输出波形（输出比较和PWM）。
• 通过结合定时器预分频器和RCC时钟控制器预分频器，可以对脉冲长度和波形周期进行从微秒到毫秒级别的精细调整。每个通用定时器都是完全独立的。

1.3 计数器模式

通用定时器支持三种基本的计数模式：

1. 向上计数模式：计数器从0开始计数，达到自动加载值(TIMx_ARR)后，复位到0重新开始，并产生一个计数器溢出事件。
2. 向下计数模式：计数器从自动装入的值(TIMx_ARR)开始向下计数到0，然后重新从ARR值开始计数，并产生一个计数器向下溢出事件。
3. 中央对齐模式（向上/向下计数）：计数器从0计数到(ARR-1)，产生一个溢出事件，然后向下计数到1并再次产生溢出事件，如此循环。

1.4 定时器工作原理

1.4.1 定时器框图

理解定时器的框图是掌握其工作原理的关键。许多开发者仅通过库函数配置实现了功能，却忽略了底层原理，这可能导致在复杂应用设计时出现错误。因此，深入理解下图所示的工作框图至关重要。

整个框图可以划分为四大功能部分：

1. 时钟产生器：负责选择并提供定时器的计数时钟源。
2. 时基单元：定时器的核心，包含计数器、预分频器和自动重装载寄存器。
3. 输入捕获：用于测量外部信号的脉宽或周期。
4. 输出比较：用于产生PWM等输出波形。

1.4.2 时钟产生器部分

STM32定时器有四种时钟源可供选择（图中蓝色部分）：

1. 内部时钟（CK_INT）：最常用的时钟源，来自APB总线。
2. 外部时钟模式1：外部触发输入（ETR）：通过特定的外部引脚输入时钟。
3. 内部触发输入（ITRx）：使用一个定时器作为另一个定时器的预分频器，实现定时器级联。
4. 外部时钟模式2：外部输入脚（TIx）：通过捕获/比较通道的引脚输入时钟。

1.4.3 时基单元

时基单元是定时器的心脏，它包含三个核心寄存器：

1. 计数器寄存器（TIMx_CNT）：进行实际的向上、向下或中心对齐计数。
2. 预分频器寄存器（TIMx_PSC）：对输入时钟进行1~65535的分频，从而改变计数器的实际计数频率。
3. 自动重装载寄存器（TIMx_ARR）：设定计数器的周期。当使能了预装载功能（ARPE位），ARR的值会在更新事件发生时才生效。

1.4.4 输入捕获通道

• 输入通道IC1、IC2和IC3、IC4可以分别映射到外部引脚TI1、TI2和TI3、TI4。
• 当检测到输入信号的边沿时，当前计数器的值会被锁存到对应的16位捕获/比较寄存器中。
• 每次捕获发生时，相应的标志位（CCxIF）会被置1。如果中断或DMA使能，则会触发中断或DMA请求。

1.4.5 输出比较通道（PWM）

（1）PWM信号的产生
定时器通过比较计数器值（CNT）与捕获/比较寄存器值（CCRx）来产生PWM信号。ARR寄存器决定了PWM的周期，CCRx寄存器则决定了占空比。

（2）PWM对齐模式
PWM输出有两种对齐模式，主要影响在中心对齐计数模式下的波形对称性：

• 边沿对齐模式
• 中心对齐模式

定时器中断应用

2.1 内部时钟选择

通用定时器的时钟通常来自APB1总线。这里有一个关键点：除非APB1的分频系数设置为1，否则通用定时器的时钟频率等于APB1时钟频率的2倍。

在默认调用 SystemInit 函数的情况下，系统时钟为72MHz，APB1预分频系数为2，因此APB1时钟为36MHz。根据上述规则，连接到APB1的通用定时器（如TIM2~TIM7）的时钟最终为 36MHz * 2 = 72MHz。

2.2 计数器模式时序详解

向下计数模式（时钟分频因子=1）：
计数器从ARR值开始递减，减到0时产生更新事件并重置。

向上计数模式（时钟分频因子=1）：
计数器从0开始递增，达到ARR值时产生更新事件并清零。

中央对齐计数模式（时钟分频因子=1， ARR=6）：
计数器从0向上计数到ARR，然后向下计数到1，如此往复，在计数方向改变时可能产生更新事件。

2.3 定时器中断实验相关寄存器

实现定时器中断，需要配置以下几个关键寄存器：

• 计数器当前值寄存器（TIMx_CNT）
  存储计数器的当前值。

• 预分频寄存器（TIMx_PSC）
  设置对输入时钟CK_PSC的分频系数，实际计数器时钟CK_CNT = fCK_PSC / (PSC[15:0] + 1)。

• 自动重装载寄存器（TIMx_ARR)
  存储计数器的重载值，即计数周期。

• 控制寄存器1（TIMx_CR1）
  控制计数器的基本行为，如计数方向（DIR位）、使能（CEN位）等。

• DMA/中断使能寄存器（TIMx_DIER）
  用于使能或禁止各类定时器中断，如更新中断（UIE位）、捕获/比较中断（CCxIE位）等。

2.4 常用库函数

定时器时基初始化：

void TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStruct);

其配置结构体如下：

typedef struct
{
  uint16_t TIM_Prescaler;         // 预分频值 (PSC)
  uint16_t TIM_CounterMode;       // 计数模式 (向上、向下等)
  uint16_t TIM_Period;            // 自动重载值 (ARR)
  uint16_t TIM_ClockDivision;     // 时钟分频 (与死区时间相关，通常为TIM_CKD_DIV1)
  uint8_t TIM_RepetitionCounter;  // 重复计数器 (高级定时器用)
} TIM_TimeBaseInitTypeDef;

典型初始化代码示例：

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 4999;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7199;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

定时器使能函数：

void TIM_Cmd(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState);

定时器中断使能函数：

void TIM_ITConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT, FunctionalState NewState);

状态标志位获取和清除函数：

FlagStatus TIM_GetFlagStatus(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_FLAG);
void TIM_ClearFlag(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_FLAG);
ITStatus TIM_GetITStatus(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT);
void TIM_ClearITPendingBit(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT);

2.5 定时器中断实现步骤

1. 使能定时器时钟：RCC_APB1PeriphClockCmd();
2. 初始化定时器：配置ARR、PSC等参数。TIM_TimeBaseInit();
3. 开启定时器中断并配置NVIC：TIM_ITConfig(); 与 NVIC_Init();
4. 使能定时器：TIM_Cmd();
5. 编写中断服务函数：TIMx_IRQHandler();

2.6 应用实例

下面是一个使用通用定时器3实现500ms中断的示例代码，中断服务函数中控制LED状态翻转。定时时间 T = (ARR+1) * (PSC+1) / Tclk。假设系统时钟72MHz，设置 ARR=4999， PSC=7199，则 T = 5000 * 7200 / 72,000,000 = 0.5s。

//timer.c源文件
#include "timer.h"
#include "led.h"

//通用定时器3中断初始化
//时钟选择为APB1的2倍，APB1默认分频后为36M，故TIM3时钟为72M
//arr：自动重装值。
//psc：时钟预分频数
void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //时钟使能

    //定时器TIM3初始化
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根据指定的参数初始化TIMx的时间基数单位

    TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE ); //使能指定的TIM3中断,允许更新中断

    //中断优先级NVIC设置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;  //TIM3中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;  //先占优先级0级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;  //从优先级3级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  //初始化NVIC寄存器

    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  //使能TIMx
}
//定时器3中断服务程序
void TIM3_IRQHandler(void)   //TIM3中断
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)  //检查TIM3更新中断发生与否
        {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update  );  //清除TIMx更新中断标志
        LED1=!LED1;
        }
}

定时器PWM输出实验

3.1 通用定时器PWM概述

PWM (Pulse Width Modulation)，即脉冲宽度调制，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需波形。它本质上是一种用数字信号对模拟信号电平进行编码的方法。占空比是指一个周期内，高电平时间占总周期的百分比。

在STM32中，可以利用定时器的输出比较功能来产生PWM波：PWM模式的频率由TIMx_ARR寄存器决定，占空比则由TIMx_CCRx寄存器决定。其工作原理如下图所示：

横轴是时间，纵轴是计数器CNT的值。CNT值随时间从0递增到ARR，然后复位，循环往复。CCRx是比较值。通过配置，当CNT < CCRx时输出一种电平，反之输出另一种电平，这样就产生了PWM波形。调节ARR可改变周期，调节CCRx则可改变占空比。

以通道1为例，PWM信号的产生路径如下：

信号流向：时钟源（CNT或ETRF） -> 输出模式控制器（由OC1M[2:0]位配置PWM模式） -> 极性选择器（由CC1P位设置） -> 输出使能门控（由CC1E位控制） -> 最终从OC1引脚输出。

关键寄存器位：

• CCR1：捕获/比较寄存器，设置比较值。
• CCMR1中的OC1M[2:0]：设置为110（PWM模式1）或111（PWM模式2）。
• CCER中的CC1P：设置输出极性。0：高电平有效；1：低电平有效。
• CCER中的CC1E：输出使能。0：关闭；1：打开。

3.2 PWM模式

PWM有模式1和模式2两种，区别在于有效电平的判定逻辑（参考TIMx_CCMR1寄存器的OC1M位描述）：

可以简单理解为：

• PWM模式1：计数器值小于比较值时，通道为有效电平。
• PWM模式2：计数器值大于比较值时，通道为有效电平。

“有效电平”的具体高低由CCxP位进一步决定。理解这一点对正确配置PWM至关重要。

下图展示了PWM模式1在向上计数时的波形实例：

3.3 相关寄存器介绍

• 捕获/比较寄存器1（TIMx_CCR1)
  当通道配置为输出时，用于写入PWM的比较值（占空比）。

• 捕获/比较模式寄存器1（TIMx_CCMR1)
  每个寄存器控制两个通道，其中OCxM位用于设置PWM模式。

• 捕获/比较使能寄存器（TIMx_CCER)
  CCxE位使能输出，CCxP位设置输出极性。

• 自动重装载寄存器（TIMx_ARR)
  设定PWM的周期，通常通过库函数配置，无需直接操作寄存器。

3.4 定时器输出通道引脚

PWM输出需要映射到具体的物理引脚。与定时器中断不同，必须配置正确的引脚复用功能。以下是TIM3通道引脚的重映射关系：

3.5 定时器PWM库函数配置

PWM输出配置在初始化时基之后，还需初始化输出比较通道。

输出比较初始化函数：

void TIM_OCxInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct);

其结构体成员如下：

typedef struct
{
  uint16_t TIM_OCMode;        // PWM模式1或模式2 (TIM_OCMode_PWM1/2)
  uint16_t TIM_OutputState;   // 输出使能 (TIM_OutputState_Enable/Disable)
  uint16_t TIM_OutputNState;  // 互补输出使能 (高级定时器用)
  uint16_t TIM_Pulse;         // 比较值，即CCRx的初始值
  uint16_t TIM_OCPolarity;    // 输出极性 (TIM_OCPolarity_High/Low)
  uint16_t TIM_OCNPolarity;
  uint16_t TIM_OCIdleState;
  uint16_t TIM_OCNIdleState;
} TIM_OCInitTypeDef;

初始化实例（配置TIM3通道2）：

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //PWM模式2
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 100; //初始占空比对应的比较值
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性高
TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); //初始化TIM3的通道2

动态设置比较值函数：

void TIM_SetCompareX(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare2); // X为通道号，如SetCompare2

使能通道预装载（使CCR值的修改在更新事件生效，防止毛刺）：

void TIM_OCxPreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPreload);

使能ARR预装载（同理）：

void TIM_ARRPreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx, FunctionalState NewState);

PWM输出配置步骤：

1. 使能时钟：使能定时器时钟 (RCC_APB1PeriphClockCmd) 和对应GPIO时钟 (RCC_APB2PeriphClockCmd)。
2. 初始化IO为复用推挽输出：GPIO_Init，模式设为 GPIO_Mode_AF_PP。
3. 引脚重映射（如果需要）：开启AFIO时钟 (RCC_APB2Periph_AFIO)，并调用 GPIO_PinRemapConfig。
4. 初始化定时器时基单元：TIM_TimeBaseInit，设定ARR和PSC。
5. 初始化输出比较参数：TIM_OCxInit，设定PWM模式和初始占空比。
6. 使能预装载寄存器：TIM_OCxPreloadConfig 和 TIM_ARRPreloadConfig。
7. 使能定时器：TIM_Cmd。
8. 动态调节占空比：在程序中调用 TIM_SetCompareX 改变CCRx的值。

3.6 实例：呼吸灯

本例使用TIM3的通道2（映射到PB5）输出PWM，通过循环改变比较值CCR2来调节LED亮度，实现呼吸灯效果。

//timer.c源文件
#include "timer.h"
#include "led.h"
#include "usart.h"

//TIM3 PWM部分初始化
//arr：自动重装值（决定频率）
//psc：时钟预分频数
void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);    //使能定时器3时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB  | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);  //使能GPIOB和AFIO时钟

    GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); //Timer3部分重映射 TIM3_CH2->PB5

    //设置PB5为复用推挽输出，用于输出TIM3 CH2的PWM波形
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    //初始化TIM3时基单元
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    //初始化TIM3通道2为PWM模式2
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

    TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);  //使能TIM3 CCR2的预装载寄存器

    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  //使能TIM3
}

在主循环中，可以不断调整 TIM_SetCompare2(TIM3, pwm_val) 的 pwm_val 值，使其在0到ARR之间循环变化，即可观察到LED亮度平滑变化。

总结

本文系统地讲解了STM32通用定时器的基本原理、寄存器功能，并通过定时器中断和PWM输出两个经典应用，给出了从寄存器配置到C语言代码的完整实现流程。理解时钟系统（如APB1的倍频关系）和计数器的工作模式（向上/向下/中心对齐）是正确配置定时器的计算机基础。对于PWM应用，关键在于理清模式1/2与有效电平的关系，以及正确完成引脚复用和重映射配置。掌握这些核心概念和网络/系统层面的硬件操作，便能驾驭定时器这一强大外设，满足各类精准定时和波形生成的需求。希望这篇详解能帮助你在嵌入式开发路上更进一步。欢迎在云栈社区交流讨论更多技术细节。