单片机开发中，电机的控制与定时器有着密不可分的关系，无论是直流电机，步进电机还是舵机，都会用到定时器，比如最常用的有刷直流电机，会使用定时器产生PWM波来调节转速，通过定时器的正交编码器接口来测量转速等。

本篇先介绍定时器的基础知识，然后对照这些知识介绍一下定时器输出PWM的基本原理，以及编程实现与代码分析。

首先来看一下定时器的基础介绍。

1 定时器基础知识

1.1 定时器种类

以STM32F4为例，一共有14个定时器：

• 高级定时器（TIM1、TIM8）

• 通用定时器（TIM2~TIM5，TIM9~TIM14）

• TIM2~TIM5（通用定时器里功能较多的）

• TIM9/TIM12

• TIM10/TIM11和TIM13/TIM14

• 基本定时器 (TIM6、TIM7)

1.2 各种定时器的特性

1.2.1 高级定时器与通用定时器

这里列举高级定时器的特性，在此基础上，对比添加其与通用定时器的不同之处：

• 16 位递增、递减、递增/递减自动重载计数器（TIM2 和 TIM5为32位）

• 16 位可编程预分频器，用于对计数器时钟频率进行分频（即运行时修改），分频系数介于 1 到 65536 之间。

• 多达 4 个独立通道（TIM9/TIM12有2个，TIM10/TIM11，TIM13/TIM14只有1个），可用于：

• 输入捕获

• 输出比较

• PWM 生成（边沿和中心对齐模式）（高级定时器和TIM2~TIM5特有，其它是只有边沿对齐模式）

• 单脉冲模式输出

• 带可编程死区的互补输出（高级定时器特有）。

• 使用外部信号控制定时器且可实现多个定时器互连的同步电路（TIM10/TIM11，TIM13/TIM14没有）。

• 重复计数器，用于仅在给定数目的计数器周期后更新定时器寄存器（高级定时器特有）。

• 用于将定时器的输出信号置于复位状态或已知状态的断路输入（高级定时器特有）。

• 发生如下事件时生成中断/DMA 请求：

• 更新：计数器上溢/下溢、计数器初始化（通过软件或内部/外部触发）

• 触发事件（计数器启动、停止、初始化或通过内部/外部触发计数）（TIM10/TIM11和TIM13/TIM14没有此功能）

• 输入捕获

• 输出比较

• 断路输入（高级定时器特有）

• 支持定位用增量（正交）编码器和霍尔传感器电路（高级定时器和TIM2~TIM5特有）。

• 外部时钟触发输入或逐周期电流管理（高级定时器和TIM2~TIM5特有）。

1.2.2 基本定时器

基本定时器 (TIM6、TIM7）的功能比较单一，所具有的功能如下：

• 16 位自动重载递增计数器

• 只能定时，没有外部 IO

• 16 位可编程预分频器，用于对计数器时钟频率进行分频（即运行时修改），分频系数 介于 1 和 65536 之间

• 用于触发 DAC 的同步电路

• 发生如下更新事件时会生成中断/DMA 请求：计数器上溢

1.3 定时器使用配置

使用定时器，一般需要配置如下：

• 时基：也就是计数器的计数时钟

• 自动重装载值：每次计数的最大值

• 输出通道：当需要使用定时器输出某种波形时（如PWM）

• 输入通道：当需要使用定时器接收某种波形时（如电机编码器信号）

先来看一下定时器的原理框图，对定时器的内部原理有一个整体直观的感受：

1.3.1 时钟源

从上图可以看出，计数器的时钟源可以为：

• 由RCC的内部时钟分频得到

• 由定时器的TIMx_ETR引脚得到

• 由其他定时器通过TRGO输出得到

一般使用RCC的内部时钟CK_INT，也即定时器时钟TIMxCLK，经APB1或APB2预分频器后分频提供。

关于定时器时钟源的具体细节，可以来看一下STM32F4的时钟树：

从STM32F4的内部时钟树可知：

• 高级定时器timer1, timer8以及通用定时器timer9, timer10, timer11的时钟来源是APB2总线(84MHZ)

• 通用定时器timer2~timer5，通用定时器timer12~timer14以及基本定时器timer6,timer7的时钟来源是APB1总线(42MHZ)

另外：

• 当APB1和APB2分频数为1的时候，各定时器的时钟就是对应的APB1或APB2的时钟；

• 如果APB1和APB2分频数不为1，那么各定时器的时钟就是对应的APB1或APB2的时钟的2倍；

  由于库函数中 APB1 预分频的系数默认是 2，所以，所以TIM1、TIM8~TIM11的时钟为APB2时钟的两倍即168MHz，TIM2~TIM7、TIM12~TIM14的时钟为APB1的时钟的两倍即84MHz。

1.3.2 计数器时钟

由于定时器时钟的提供的可以频率较高，计数器不需要这么高的频率来计数，所以会进行降频，使用一个合适的低频时钟来计数。

定时器时钟经过PSC 预分频器之后，即CK_CNT，用来驱动计数器计数。PSC 是一个16 位的预分频器，可以对定时器时钟TIMxCLK进行 1~65536 之间的任何一个数进行分频。

具体计算方式为：CK_CNT=TIMxCLK/（PSC+1）。

比如，使用STM32F4的通用定时器2（TIM2CLK为APB1的时钟的两倍即84MHz），PSC设置为83，则计数时钟为84MHz/(83+1)=1MHz，即1ms计一个数。

1.3.3 计数器

计数器 CNT 是一个 16 位的计数器，只能往上计数，最大计数值为 65535。当计数达到自动重装载寄存器的时候产生更新事件，并清零从头开始计数。

1.3.4 自动重装载寄存器

自动重装载寄存器 ARR 是一个 16 位的寄存器，这里面装着计数器能计数的最大数值。当计数到这个值的时候，如果使能了中断的，定时器就产生溢出中断。

2 定时器输出PWM原理

如下图是PWM输出的原理示意图：

假设定时器工作模式设置为向上计数 PWM模式，且当 CNT=CCRx 时输出 0，则：

• 当 CNT 值小于 CCRx 的时候， IO 输出高电平 (1)

• 当 CNT 值大于等于 CCRx 的时候，IO 输出低电平 (0)

• 当 CNT 达到 ARR 值的时候，重新归零，然后重新向上计数，依次循环。

因此，改变 CCRx 的值，就可以改变 PWM 输出的占空比，改变 ARR 的值，就可以改变 PWM 输出的周期（频率），这就是利用定时器输出PWM 的基本原理。

3 定时器常用的寄存器

使用定时器来输出PWM时，需要对其寄存器进行相应的设置。定时器的寄存器有好多个，这里先介绍几个与输出PWM相关的几个寄存器，其它是寄存器以后用到时再介绍。

3.1 控制寄存器CR1

控制寄存器，就是来设置定时的工作模式：

• 位 15:10 保留，必须保持复位值。

• 位 9:8 CKD：时钟分频 (Clock division) 此位域指示定时器时钟 (CK_INT) 频率与数字滤波器所使用的采样时钟（ETR、TIx）之间的分频比，

• 位 7 ARPE：自动重载预装载使能 (Auto-reload preload enable)

• 0：TIMx_ARR 寄存器不进行缓冲

• 1：TIMx_ARR 寄存器进行缓冲

• 位 6:5 CMS：中心对齐模式选择 (Center-aligned mode selection)，包括1种边沿对齐模式与3种中心对齐模式

• 位 4 DIR：计数器方向 (Direction)，0为递增计数，1为递减计数。

  注： 当定时器配置为中心对齐模式或编码器模式时，该位为只读状态。

• 位 3 OPM：单脉冲模式 (One-pulse mode)

• 位 2 URS：更新请求源 (Update request source)

  此位由软件置 1 和清零，用以选择 UEV 事件源。

• 位 1 UDIS：更新禁止 (Update disable) 此位由软件置 1 和清零，用以使能/禁止 UEV 事件生成。

• 位 0 CEN：计数器使能 (Counter enable)，0为禁止计数器，1为使能计数器

  只有事先通过软件将 CEN 位置 1，才可以使用外部时钟、门控模式和编码器模式。而触发模式可通过硬件自动将 CEN 位置 1。在单脉冲模式下，当发生更新事件时会自动将 CEN 位清零。

3.2 捕获/比较模式寄存器CCMR1

这些通道可用于输入（捕获模式）或输出（比较模式）模式。通道方向通过配置相应的 CCxS 位进行定义。此寄存器的所有其它位在输入模式和输出模式下的功能均不同。对于任一给定位

• OCxx 用于说明通道配置为输出时该位对应的功能

• ICxx 则用于说明通道配置为输入时 该位对应的功能

因此，必须注意同一个位在输入阶段和输出阶段具有不同的含义。

这里仅先介绍输出模式下的功能：

• 位 15 OC2CE：输出比较 2 清零使能 (Output compare 3 clear enable)

• 位 14:12 OC2M[2:0]：输出比较 2 模式 (Output compare 2 mode)

• 位 11 OC2PE：输出比较 2 预装载使能 (Output compare 2 preload enable)

• 位 10 OC2FE：输出比较 2 快速使能 (Output compare 2 fast enable)

• 位 9:8 CC2S[1:0]：捕获/比较 2 选择 (Capture/Compare 2 selection) 参考下面的CC1S通道1

• 位 7 OC1CE：输出比较 1 清零使能 (Output compare 3 clear enable)

  OC1CE：输出比较 1 清零使能 (Output Compare 1 Clear Enable)

• 0：OC1Ref 不受 ETRF 输入影响

• 1：ETRF 输入上检测到高电平时， OC1Ref 立即清零。

• 位 6:4 OC1M：输出比较 1 模式 (Output compare 1 mode) 一共可配置位7种模式，这里仅介绍2种：

• 110：PWM 模式 1––在递增计数模式下，只要 TIMx_CNTTIMx_CCR1，通道 1 便为无效状态 (OC1REF=0)，否则为有效状态 (OC1REF=1)。

• 111：PPWM 模式 2––在递增计数模式下，只要 TIMx_CNTTIMx_CCR1，通道 1 便为有效状态，否则为无效状态。

• 位 3 OC1PE：输出比较 1 预装载使能 (Output compare 1 preload enable)

• 0：禁止与 TIMx_CCR1 相关的预装载寄存器。可随时向 TIMx_CCR1 写入数据，写入后将立即使用新值。

• 1：使能与 TIMx_CCR1 相关的预装载寄存器。可读/写访问预装载寄存器。TIMx_CCR1 预装载值在每次生成更新事件时都会装载到活动寄存器中。

• 位 2 OC1FE：输出比较 1 快速使能 (Output compare 1 fast enable)

  此位用于加快触发输入事件对 CC 输出的影响（仅当通道配置为 PWM1 或 PWM2 模式时，OCFE 才会起作用）。

• 0：即使触发开启，CC1 也将根据计数器和 CCR1 值正常工作。触发输入出现边沿时，激活CC1 输出的最短延迟时间为 5 个时钟周期。

• 1：触发输入上出现有效边沿相当于 CC1 输出上的比较匹配。随后，无论比较结果如何，OC 都设置为比较电平。采样触发输入和激活 CC1 输出的延迟时间缩短为 3 个时钟周期。

• 位 1:0 CC1S[1:0]：捕获/比较 1 选择 (Capture/Compare 1 selection)

• 此位域定义通道方向（输入/输出）以及所使用的输入。

• 00：CC1 通道配置为输出。

• 01：CC1 通道配置为输入，IC1 映射到 TI1 上。

• 10：CC1 通道配置为输入，IC1 映射到 TI2 上。

• 11：CC1 通道配置为输入，IC1 映射到 TRC 上。此模式仅在通过 TS 位（TIMx_SMCR 寄存器）选择内部触发输入时有效

  注： 仅当通道关闭时（TIMx_CCER 中的 CC1E = 0），才可向 CC1S 位写入数据。

3.3 计数器CNT

计数器的功能很单一，就是计数：

• 位 15:0 CNT[15:0]：计数器值 (Counter value)

3.4 预分频器PSC

预分频器的功能也很单一，就是分频：

• 位 15:0 PSC[15:0]：预分频器值 (Prescaler value)

  计数器时钟频率CK_CNT等于fCK_PSC / (PSC[15:0] + 1)。

  PSC 包含在每次发生更新事件时要装载到实际预分频器寄存器的值。

3.5 自动重装载寄存器ARR

自动重装载寄存器的功能也很单一，就是保存一个数，在计数满的时候，重新开始计数

• 位 15:0 ARR[15:0]：自动重载值 (Auto-reload value)

  ARR 为要装载到实际自动重载寄存器的值。

  当自动重载值为空时，计数器不工作。

3.6 捕获/比较寄存器CCR

自动重装载寄存器的功能也很单一，也是保存一个数，用于与当前的CNT进行比较，注意 TIM2 和 TIM5是32位计数。

以CCR1寄存器（一共有CCR1~CCR4这4个通道）为例：

• 位31:16 CCR1[31:16]：捕获/比较 1 的高 16 位（对于 TIM2 和 TIM5）。

• 位15:0 CCR1[15:0]：捕获/比较 1 的低 16 位 (Low Capture/Compare 1 value)

• 如果通道 CC1 配置为输出： CCR1 是捕获/比较寄存器 1 的预装载值。 如果没有通过TIMx_CCMR寄存器中的OC1PE位来使能预装载功能，写入的数值会被直接传输至当前寄存器中。否则只在发生更新事件时生效（拷贝到实际起作用的捕获/ 比较寄存器1）。 实际捕获/比较寄存器中包含要与计数器TIMx_CNT进行比较并在 OC1 输出上发出信号的值。

• 如果通道 CC1 配置为输入： CCR1 为上一个输入捕获 1 事件 (IC1) 发生时的计数器值。

4 代码实现与分析

上面介绍了定时器的基础知识与PWM的输出原理，下面就来实际看一下，如何编写对应的代码（以STM32F407为例）。

4.1 定时器初始化

定时器的初始化，因为需要用到对应的引脚输出PWM，因此要先初始化GPIO引脚，然后，还要初始化定时器的时基（计数的时钟）以及输出通道（用于配置PWM的输出模式）。

4.1.1 复用引脚初始化

这里用到的是定时器3，根据STM32F407的数据手册“3 Pinouts and pin description”中的“Table 9. Alternate function mapping”复用引脚说明表，可以看到定时器3通道1对应的引脚位A6:

因此程序中对A6引脚可以这样配置，注意一定要配置引脚的复用功能：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; /*引脚配置 结构体*/

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); //使能PORTA时钟 

GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_TIM3); /*GPIOA6复用为定时器3*/

/*复用引脚配置*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;      //GPIOA6

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;    /*复用功能*/

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHz

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;   //推挽复用输出

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;    //上拉

GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);        //初始化PA6

4.1.2 时基初始化

时基初始化，主要是配置定时器的计数频率（psc）和自动重装置值（每次计数的周期，arr），比如

TIM3_PWM_Init(500-1,84-1);

（关于psc与arr的知识点，可以再回顾一下上面1.3节的知识）

这里将arr的值设置为500，即计数器每计够500个数就会重新从0开始计数，这个500再乘以计数器计数的周期，就是PWM真正的周期，那计数器计数的频率是多少呢（频率的倒数为周期）？

这里将psc的值设置为84-1，即TIM3的输入频率为84MHz再将频率降低1/84，即使用1MHz的频率计数（1s能计1,000,000个数，也即1us计1个数），那么PWM的真正周期就是

500*1us=500us(0.5ms)

，通过改变占空比的值（ccr）,就可以调节PWM的输出占空比。

时基初始化配置如下：

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; /*时基 结构体*/

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);  //TIM3时钟使能  

/*时基初始化*/

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;           /*ARR 自动重装载值(周期)，例如500*/

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;         /*PSC 定时器分频，例如84*/

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;   /*时钟分割*/

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; /*向上计数模式*/

TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseStructure);      /*初始化定时器3*/

最后一句的时基初始化，起始就是对定时的寄存器进行配置，该函数的内部实现如下：

void TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStruct)

{

 uint16_t tmpcr1 = 0;

 tmpcr1 = TIMx->CR1; 

 if((TIMx == TIM1) || (TIMx == TIM8)|| /*高级定时器TIM和TIM8*/

   (TIMx == TIM2) || (TIMx == TIM3)||(TIMx == TIM4) || (TIMx == TIM5)) /*通用定时器中的TIM2~TIM5*/

 {

  /* 设置为计数器模式 */

  tmpcr1 &= (uint16_t)(~(TIM_CR1_DIR | TIM_CR1_CMS));

  tmpcr1 |= (uint32_t)TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_CounterMode;

 }

 

 if((TIMx != TIM6) && (TIMx != TIM7)) /*基本定时器TIM6和TIM7无此功能*/

 {

  /* 设置时钟分频 */

  tmpcr1 &= (uint16_t)(~TIM_CR1_CKD);

  tmpcr1 |= (uint32_t)TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_ClockDivision;

 }

 /* 配置CR1寄存器 */

 TIMx->CR1 = tmpcr1;

 /* 配置ARR寄存器，设置自动重转载值 */

 TIMx->ARR = TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_Period ;

 

 /* 配置PSC寄存器，设置预分频值 */

 TIMx->PSC = TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_Prescaler;

  

 if ((TIMx == TIM1) || (TIMx == TIM8)) /*高级定时器TIM和TIM8*/

 {  /* 配置RCR寄存器，设置重复计数值 */

   TIMx->RCR = TIM_TimeBaseInitStruct->TIM_RepetitionCounter;

 }

 /* 生成一个更新事件来立即重新加载预分频器和重复计数器(仅针对高级定时器TIM1和TIM8)值 */

 TIMx->EGR = TIM_PSCReloadMode_Immediate;     

}

4.1.3 输出通道初始化

输出通道初始化，主要是配置输出的一些参数，这里主要关注TIM_OCMode（模式）与TIM_OCPolarity（极性），这两个参数是配合使用的：

PWM模式1

向上计数时，一旦

TIMx_CNT

时通道1为有效电平，否则为无效电平；

向下计数时，一旦

TIMx_CNT>TIMx_CCR1

时通道1为无效电平，否则为有效电平。

PWM模式2

向上计数时，一旦

TIMx_CNT

时通道1为无效电平，否则为有效电平；

向下计数时，一旦

TIMx_CNT>TIMx_CCR1

时通道1为有效电平，否则为无效电平。

这里的有效电平又是什么意思呢？怎么算有效电平？它就是通过极性来配置的：

输出High模式：有效电平为高电平

输出Low模式：有效电平为低电平

对比着再来看这张图：

当CNT的计数值小于CCR时，即t1这个时间段，输出有效电平（TIM_OCMode_PWM1模式），而有效电平是高电平（极性为TIM_OCPolarity_High），所以PWM的IO逻辑在t1这个时间段输出了高电平。

输出通道的配置如下：

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; /*输出通道 结构体*/

/*输出通道初始化，初始化TIM3 Channel1 PWM模式*/ 

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;       /*选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1*/

TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能

TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;   /*输出极性:TIM输出比较极性高*/

TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);            //根据指定的参数初始化外设TIM3 OC1

TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); /*使能TIM3在CCR1上的预装载寄存器*/

TIM_ARRPreloadConfig(TIM3,ENABLE);/*ARPE使能：使能控制寄存器CR的第8位：ARPR, Auto-reload preload enable*/