通用定时器高级应用实战¶
学习目标¶
完成本教程后，你将能够：
- 理解通用定时器的工作模式和高级功能
- 掌握输入捕获模式测量信号频率和脉宽
- 掌握输出比较模式生成精确的时序信号
- 使用PWM模式控制电机和LED亮度
- 配置编码器接口读取旋转编码器
- 实现定时器级联和同步功能
前置要求¶
在开始本教程之前，你需要：
知识要求： - 熟悉C语言编程（指针、结构体、位操作） - 了解STM32基本外设配置 - 掌握定时器基础概念 - 了解中断处理机制
技能要求： - 能够使用STM32CubeIDE或Keil MDK - 会使用示波器或逻辑分析仪 - 能够阅读芯片数据手册 - 掌握基本的调试技巧
建议先学习： - 定时器驱动基础 - SysTick系统滴答定时器 - 中断系统基础
准备工作¶
硬件准备¶
| 名称 | 数量 | 说明 | 参考链接 |
|---|---|---|---|
| STM32开发板 | 1 | STM32F4系列，带通用定时器 | - |
| LED灯 | 2 | 用于PWM演示 | - |
| 按键 | 1 | 用于输入捕获演示 | - |
| 旋转编码器 | 1 | 用于编码器接口演示 | - |
| 示波器/逻辑分析仪 | 1 | 用于信号测量（可选） | - |
| USB数据线 | 1 | 用于下载和供电 | - |
软件准备¶
- 开发环境：STM32CubeIDE v1.10+ 或 Keil MDK v5.30+
- HAL库：STM32F4 HAL Driver v1.27+
- 驱动程序：ST-Link驱动
- 辅助工具：串口调试助手、示波器软件
环境配置¶
- 安装开发环境和HAL库
- 连接开发板并测试ST-Link连接
- 准备示波器或逻辑分析仪（可选）
- 连接LED、按键和编码器到指定引脚
通用定时器简介¶
什么是通用定时器¶
通用定时器（General-purpose Timer）是STM32中功能最丰富的定时器类型，相比基本定时器和SysTick，它提供了更多的高级功能，包括输入捕获、输出比较、PWM生成、编码器接口等。
STM32F4系列通用定时器特点： - 16位或32位自动重装载计数器 - 16位可编程预分频器（分频系数1-65536） - 4个独立通道，可用于： - 输入捕获 - 输出比较 - PWM生成 - 单脉冲模式输出 - 支持编码器接口 - 支持定时器级联和同步 - 支持DMA请求 - 支持外部触发输入
STM32F4常用通用定时器： - TIM2、TIM5：32位定时器 - TIM3、TIM4：16位定时器 - TIM9-TIM14：16位定时器（功能简化）
通用定时器工作模式¶
graph TB
A[通用定时器] --> B[基本计数模式]
A --> C[输入捕获模式]
A --> D[输出比较模式]
A --> E[PWM模式]
A --> F[编码器接口模式]
A --> G[单脉冲模式]
B --> B1[向上计数]
B --> B2[向下计数]
B --> B3[中央对齐计数]
C --> C1[测量频率]
C --> C2[测量脉宽]
C --> C3[测量占空比]
D --> D1[定时翻转]
D --> D2[定时置位/复位]
D --> D3[PWM生成]
E --> E1[PWM模式1]
E --> E2[PWM模式2]
F --> F1[编码器模式1]
F --> F2[编码器模式2]
F --> F3[编码器模式3]定时器通道功能¶
每个通用定时器有4个独立通道（CH1-CH4），每个通道可以配置为不同的功能：
| 通道 | 输入捕获 | 输出比较 | PWM输出 | 编码器输入 |
|---|---|---|---|---|
| CH1 | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| CH2 | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| CH3 | ✓ | ✓ | ✓ | - |
| CH4 | ✓ | ✓ | ✓ | - |
步骤1：输入捕获模式¶
1.1 输入捕获原理¶
输入捕获（Input Capture）模式用于测量外部信号的频率、脉宽、占空比等参数。当检测到输入信号的边沿（上升沿或下降沿）时，定时器会自动将当前计数值保存到捕获寄存器中。
工作原理：
sequenceDiagram
participant Signal as 外部信号
participant Pin as GPIO引脚
participant IC as 输入捕获单元
participant Counter as 计数器
participant CCR as 捕获寄存器
Signal->>Pin: 信号边沿
Pin->>IC: 触发捕获
IC->>Counter: 读取计数值
Counter->>CCR: 保存到CCR
IC->>CPU: 产生中断应用场景： - 测量PWM信号的频率和占空比 - 测量超声波模块的回波时间 - 测量按键按下时间 - 测量电机转速（霍尔传感器）
1.2 测量信号频率¶
使用输入捕获测量外部信号频率的基本方法：
/**
* @brief 配置TIM2 CH1为输入捕获模式
* @param None
* @retval None
*/
void TIM2_IC_Init(void)
{
// 1. 使能TIM2和GPIO时钟
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
// 2. 配置GPIO为复用功能
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0; // PA0 -> TIM2_CH1
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 复用推挽输出
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 无上下拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF1_TIM2; // 复用为TIM2
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// 3. 配置定时器基本参数
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 84 - 1; // 预分频：84MHz/84 = 1MHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 0xFFFFFFFF; // 32位最大值
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_IC_Init(&htim2);
// 4. 配置输入捕获通道
TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC = {0};
sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING; // 上升沿捕获
sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; // 直接映射到TI1
sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; // 不分频
sConfigIC.ICFilter = 0; // 无滤波
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1);
// 5. 使能捕获中断
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}
// 全局变量
static uint32_t capture_value1 = 0; // 第一次捕获值
static uint32_t capture_value2 = 0; // 第二次捕获值
static uint8_t capture_state = 0; // 捕获状态：0=等待第一次，1=等待第二次
static uint32_t signal_freq = 0; // 测量到的频率
/**
* @brief 输入捕获中断回调函数
* @param htim: 定时器句柄
* @retval None
*/
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM2 && htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
{
if (capture_state == 0)
{
// 第一次捕获
capture_value1 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
capture_state = 1;
}
else
{
// 第二次捕获
capture_value2 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
// 计算两次捕获之间的计数值（处理溢出）
uint32_t capture_diff;
if (capture_value2 >= capture_value1)
{
capture_diff = capture_value2 - capture_value1;
}
else
{
// 发生溢出
capture_diff = (0xFFFFFFFF - capture_value1) + capture_value2;
}
// 计算频率：f = 定时器频率 / 计数差值
// 定时器频率 = 84MHz / 84 = 1MHz
if (capture_diff > 0)
{
signal_freq = 1000000 / capture_diff; // Hz
}
capture_state = 0; // 重新开始
}
}
}
/**
* @brief 获取测量到的频率
* @param None
* @retval 频率值（Hz）
*/
uint32_t Get_Signal_Frequency(void)
{
return signal_freq;
}
代码说明： - 第7-13行：配置GPIO为定时器复用功能 - 第17-21行：配置定时器基本参数，预分频后频率为1MHz - 第25-29行：配置输入捕获通道，上升沿触发 - 第45-72行：中断回调函数，计算两次捕获之间的时间差 - 第60-64行：处理计数器溢出情况 - 第67-70行：根据时间差计算频率
1.3 测量PWM信号占空比¶
使用两个通道同时捕获上升沿和下降沿，可以测量PWM信号的周期和占空比：
/**
* @brief 配置TIM3测量PWM占空比
* @param None
* @retval None
* @note CH1捕获上升沿，CH2捕获下降沿
*/
void TIM3_PWM_Measure_Init(void)
{
// 1. 使能时钟
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
// 2. 配置GPIO（PA6 -> TIM3_CH1）
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_TIM3;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// 3. 配置定时器
TIM_HandleTypeDef htim3;
htim3.Instance = TIM3;
htim3.Init.Prescaler = 84 - 1; // 1MHz
htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim3.Init.Period = 0xFFFF;
htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_IC_Init(&htim3);
// 4. 配置CH1捕获上升沿
TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC = {0};
sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;
sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
sConfigIC.ICFilter = 0;
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim3, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1);
// 5. 配置CH2捕获下降沿（使用同一输入TI1）
sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING;
sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_INDIRECTTI; // 间接映射
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim3, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_2);
// 6. 配置从模式：复位模式
TIM_SlaveConfigTypeDef sSlaveConfig = {0};
sSlaveConfig.SlaveMode = TIM_SLAVEMODE_RESET;
sSlaveConfig.InputTrigger = TIM_TS_TI1FP1;
HAL_TIM_SlaveConfigSynchro(&htim3, &sSlaveConfig);
// 7. 使能捕获中断
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim3, TIM_CHANNEL_2);
}
// 全局变量
static uint32_t pwm_period = 0; // PWM周期（us）
static uint32_t pwm_high_time = 0; // 高电平时间（us）
static uint32_t pwm_duty = 0; // 占空比（0-100）
/**
* @brief PWM测量中断回调
* @param htim: 定时器句柄
* @retval None
*/
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM3)
{
if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
{
// CH1捕获上升沿 -> 获取周期
pwm_period = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
}
else if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_2)
{
// CH2捕获下降沿 -> 获取高电平时间
pwm_high_time = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_2);
// 计算占空比
if (pwm_period > 0)
{
pwm_duty = (pwm_high_time * 100) / pwm_period;
}
}
}
}
/**
* @brief 获取PWM参数
* @param period: 输出周期（us）
* @param duty: 输出占空比（0-100）
* @retval None
*/
void Get_PWM_Parameters(uint32_t *period, uint32_t *duty)
{
*period = pwm_period;
*duty = pwm_duty;
}
代码说明： - 第38-41行：CH2配置为间接映射，捕获同一输入的下降沿 - 第44-47行：配置从模式为复位模式，上升沿时自动复位计数器 - 第69-72行：CH1捕获上升沿，读取的值就是PWM周期 - 第73-82行：CH2捕获下降沿，读取的值就是高电平时间
关键技术： - 使用两个通道捕获同一输入信号的不同边沿 - 从模式自动复位计数器，简化周期测量 - 通过周期和高电平时间计算占空比
步骤2：输出比较模式¶
2.1 输出比较原理¶
输出比较（Output Compare）模式用于在特定时刻产生输出信号。当计数器值等于比较寄存器（CCR）的值时，可以触发输出引脚的电平变化或产生中断。
工作原理：
graph LR
A[计数器CNT] --> B{CNT == CCR?}
B -->|是| C[触发输出动作]
B -->|否| D[继续计数]
C --> E[翻转/置位/复位]
C --> F[产生中断]输出动作类型： - 冻结：保持当前输出状态 - 匹配时置位：CNT=CCR时输出高电平 - 匹配时复位：CNT=CCR时输出低电平 - 匹配时翻转：CNT=CCR时输出电平翻转 - 强制为高/低：强制输出特定电平
2.2 生成精确延时信号¶
使用输出比较模式生成精确的延时信号：
/**
* @brief 配置TIM4 CH1为输出比较模式
* @param None
* @retval None
*/
void TIM4_OC_Init(void)
{
// 1. 使能时钟
__HAL_RCC_TIM4_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
// 2. 配置GPIO（PB6 -> TIM4_CH1）
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_TIM4;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
// 3. 配置定时器基本参数
TIM_HandleTypeDef htim4;
htim4.Instance = TIM4;
htim4.Init.Prescaler = 84 - 1; // 1MHz
htim4.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim4.Init.Period = 10000 - 1; // 10ms周期
htim4.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_OC_Init(&htim4);
// 4. 配置输出比较通道
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_TOGGLE; // 匹配时翻转
sConfigOC.Pulse = 5000; // 比较值：5ms
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_OC_ConfigChannel(&htim4, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
// 5. 启动输出比较
HAL_TIM_OC_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_1);
}
/**
* @brief 动态修改输出比较值
* @param pulse_us: 比较值（微秒）
* @retval None
*/
void TIM4_Set_Compare(uint32_t pulse_us)
{
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_1, pulse_us);
}
代码说明： - 第32行：配置为翻转模式，每次匹配时输出电平翻转 - 第33行：设置比较值为5000，即5ms时翻转 - 第26行：周期为10ms，所以输出频率为100Hz，占空比50%
2.3 生成多路同步信号¶
使用多个通道生成相位不同的同步信号：
/**
* @brief 配置TIM3生成4路相位不同的信号
* @param None
* @retval None
*/
void TIM3_Multi_OC_Init(void)
{
// 1. 使能时钟
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
// 2. 配置GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// PA6 -> TIM3_CH1
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_TIM3;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// PA7 -> TIM3_CH2
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_7;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// PB0 -> TIM3_CH3
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
// PB1 -> TIM3_CH4
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
// 3. 配置定时器
TIM_HandleTypeDef htim3;
htim3.Instance = TIM3;
htim3.Init.Prescaler = 84 - 1;
htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim3.Init.Period = 1000 - 1; // 1ms周期
htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_OC_Init(&htim3);
// 4. 配置4个通道，相位依次相差90度
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_TOGGLE;
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
// CH1: 0度相位
sConfigOC.Pulse = 0;
HAL_TIM_OC_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
// CH2: 90度相位（250us延时）
sConfigOC.Pulse = 250;
HAL_TIM_OC_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
// CH3: 180度相位（500us延时）
sConfigOC.Pulse = 500;
HAL_TIM_OC_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_3);
// CH4: 270度相位（750us延时）
sConfigOC.Pulse = 750;
HAL_TIM_OC_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_4);
// 5. 启动所有通道
HAL_TIM_OC_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_OC_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_OC_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_3);
HAL_TIM_OC_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_4);
}
代码说明： - 4个通道使用相同的周期（1ms） - 通过设置不同的比较值实现相位差 - 每个通道相位相差90度（250us） - 适用于步进电机驱动、多相信号生成等场景
步骤3：PWM模式¶
3.1 PWM原理¶
PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）是输出比较模式的特殊应用，通过改变脉冲宽度来控制平均输出功率。
PWM模式1和模式2的区别： - PWM模式1：CNT < CCR时输出有效电平，CNT ≥ CCR时输出无效电平 - PWM模式2：CNT < CCR时输出无效电平，CNT ≥ CCR时输出有效电平
PWM参数计算：
3.2 LED呼吸灯效果¶
使用PWM控制LED亮度，实现呼吸灯效果：
/**
* @brief 配置TIM2 CH1输出PWM控制LED
* @param None
* @retval None
*/
void TIM2_PWM_Init(void)
{
// 1. 使能时钟
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
// 2. 配置GPIO（PA0 -> TIM2_CH1）
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF1_TIM2;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// 3. 配置定时器
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 84 - 1; // 1MHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 1000 - 1; // PWM频率 = 1kHz
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim2);
// 4. 配置PWM通道
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; // PWM模式1
sConfigOC.Pulse = 0; // 初始占空比0%
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; // 高电平有效
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
// 5. 启动PWM输出
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}
/**
* @brief 设置PWM占空比
* @param duty: 占空比（0-100）
* @retval None
*/
void TIM2_Set_PWM_Duty(uint8_t duty)
{
uint32_t pulse = (duty * 1000) / 100; // 计算CCR值
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, pulse);
}
/**
* @brief 呼吸灯效果
* @param None
* @retval None
*/
void LED_Breathing_Effect(void)
{
static uint8_t duty = 0;
static int8_t direction = 1; // 1=变亮，-1=变暗
// 更新占空比
duty += direction * 5;
// 改变方向
if (duty >= 100)
{
duty = 100;
direction = -1;
}
else if (duty <= 0)
{
duty = 0;
direction = 1;
}
// 设置PWM
TIM2_Set_PWM_Duty(duty);
}
// 在主循环或定时器中调用
void main_loop(void)
{
while (1)
{
LED_Breathing_Effect();
HAL_Delay(20); // 20ms更新一次
}
}
代码说明： - 第26行：设置PWM频率为1kHz，人眼无法察觉闪烁 - 第33行：初始占空比为0，LED熄灭 - 第58-78行：呼吸灯算法，占空比在0-100%之间循环变化 - 第85行：每20ms更新一次，实现平滑的呼吸效果
3.3 电机调速控制¶
使用PWM控制直流电机转速：
/**
* @brief 配置TIM3 CH1和CH2控制双路电机
* @param None
* @retval None
*/
void TIM3_Motor_PWM_Init(void)
{
// 1. 使能时钟
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
// 2. 配置GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7; // PA6, PA7
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_TIM3;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// 3. 配置定时器
TIM_HandleTypeDef htim3;
htim3.Instance = TIM3;
htim3.Init.Prescaler = 84 - 1;
htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim3.Init.Period = 2000 - 1; // PWM频率 = 500Hz
htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);
// 4. 配置PWM通道
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 0;
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
// 配置CH1（电机1）
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
// 配置CH2（电机2）
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
// 5. 启动PWM
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2);
}
/**
* @brief 设置电机速度
* @param motor: 电机编号（1或2）
* @param speed: 速度（0-100）
* @retval None
*/
void Motor_Set_Speed(uint8_t motor, uint8_t speed)
{
// 限制速度范围
if (speed > 100) speed = 100;
// 计算CCR值
uint32_t pulse = (speed * 2000) / 100;
// 设置对应通道的PWM
if (motor == 1)
{
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pulse);
}
else if (motor == 2)
{
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, pulse);
}
}
/**
* @brief 电机加速示例
* @param None
* @retval None
*/
void Motor_Acceleration_Demo(void)
{
// 电机1从0加速到100
for (uint8_t speed = 0; speed <= 100; speed += 10)
{
Motor_Set_Speed(1, speed);
HAL_Delay(200);
}
// 保持最高速度2秒
HAL_Delay(2000);
// 电机1从100减速到0
for (uint8_t speed = 100; speed > 0; speed -= 10)
{
Motor_Set_Speed(1, speed);
HAL_Delay(200);
}
Motor_Set_Speed(1, 0);
}
代码说明： - 第26行：PWM频率设置为500Hz，适合电机控制 - 第54-69行：根据速度百分比计算PWM占空比 - 第76-93行：演示电机加速和减速过程
注意事项： - 电机驱动需要使用H桥或电机驱动芯片 - PWM频率不宜过高（建议500Hz-2kHz） - 需要考虑电机的启动电流和保护
步骤4：编码器接口模式¶
4.1 编码器接口原理¶
编码器接口模式专门用于读取旋转编码器（Rotary Encoder）的位置和方向。旋转编码器输出两路相位相差90度的方波信号（A相和B相），通过检测两路信号的相位关系可以判断旋转方向。
编码器信号时序：
sequenceDiagram
participant A as A相信号
participant B as B相信号
participant Dir as 旋转方向
Note over A,Dir: 正向旋转
A->>A: ↑上升沿
B->>B: 低电平
Note over Dir: 计数器递增
Note over A,Dir: 反向旋转
A->>A: ↑上升沿
B->>B: 高电平
Note over Dir: 计数器递减编码器模式： - 模式1：仅在TI1边沿计数 - 模式2：仅在TI2边沿计数 - 模式3：在TI1和TI2边沿都计数（4倍频）
4.2 配置编码器接口¶
/**
* @brief 配置TIM2为编码器接口模式
* @param None
* @retval None
*/
void TIM2_Encoder_Init(void)
{
// 1. 使能时钟
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
// 2. 配置GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// PA0 -> TIM2_CH1 (A相)
// PA1 -> TIM2_CH2 (B相)
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 上拉，增强抗干扰
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF1_TIM2;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// 3. 配置定时器为编码器模式
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 0; // 不分频
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 0xFFFFFFFF; // 32位最大值
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Encoder_Init(&htim2, &sConfig);
// 4. 配置编码器接口
TIM_Encoder_InitTypeDef sConfig = {0};
sConfig.EncoderMode = TIM_ENCODERMODE_TI12; // 模式3：TI1和TI2都计数
sConfig.IC1Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
sConfig.IC1Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sConfig.IC1Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
sConfig.IC1Filter = 10; // 滤波，消除抖动
sConfig.IC2Polarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
sConfig.IC2Selection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sConfig.IC2Prescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
sConfig.IC2Filter = 10;
HAL_TIM_Encoder_Init(&htim2, &sConfig);
// 5. 设置初始计数值为中间值
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2, 0x7FFFFFFF);
// 6. 启动编码器接口
HAL_TIM_Encoder_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_ALL);
}
/**
* @brief 读取编码器位置
* @param None
* @retval 编码器计数值
*/
int32_t Encoder_Get_Position(void)
{
// 读取计数器值，减去初始值得到相对位置
int32_t count = (int32_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);
return count - 0x7FFFFFFF;
}
/**
* @brief 复位编码器位置
* @param None
* @retval None
*/
void Encoder_Reset_Position(void)
{
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2, 0x7FFFFFFF);
}
/**
* @brief 获取编码器旋转方向
* @param None
* @retval 1=正向，-1=反向，0=静止
*/
int8_t Encoder_Get_Direction(void)
{
static int32_t last_position = 0;
int32_t current_position = Encoder_Get_Position();
int8_t direction = 0;
if (current_position > last_position)
{
direction = 1; // 正向
}
else if (current_position < last_position)
{
direction = -1; // 反向
}
last_position = current_position;
return direction;
}
代码说明： - 第18行：配置GPIO为上拉模式，增强抗干扰能力 - 第34行：使用模式3（TI12），在两路信号的所有边沿都计数，实现4倍频 - 第38、43行：设置滤波器，消除机械抖动 - 第47行：设置初始值为中间值，避免溢出 - 第58-62行：读取相对位置，支持正负值
4.3 编码器应用示例¶
使用编码器控制LED亮度或菜单选择：
/**
* @brief 使用编码器控制LED亮度
* @param None
* @retval None
*/
void Encoder_Control_LED_Demo(void)
{
static int32_t last_position = 0;
static uint8_t led_brightness = 50; // 初始亮度50%
// 读取编码器位置变化
int32_t current_position = Encoder_Get_Position();
int32_t delta = current_position - last_position;
if (delta != 0)
{
// 每转动一格，亮度变化5%
int16_t new_brightness = led_brightness + (delta * 5);
// 限制范围
if (new_brightness < 0) new_brightness = 0;
if (new_brightness > 100) new_brightness = 100;
led_brightness = new_brightness;
// 更新LED PWM
TIM2_Set_PWM_Duty(led_brightness);
// 更新位置
last_position = current_position;
// 打印信息
printf("编码器位置: %ld, LED亮度: %d%%\n",
current_position, led_brightness);
}
}
/**
* @brief 使用编码器进行菜单选择
* @param None
* @retval None
*/
void Encoder_Menu_Selection_Demo(void)
{
static int32_t last_position = 0;
static uint8_t menu_index = 0;
const uint8_t menu_count = 5;
const char* menu_items[] = {
"1. 系统设置",
"2. 网络配置",
"3. 显示设置",
"4. 关于",
"5. 退出"
};
// 读取编码器位置变化
int32_t current_position = Encoder_Get_Position();
int32_t delta = current_position - last_position;
if (delta != 0)
{
// 更新菜单索引
int16_t new_index = menu_index + delta;
// 循环菜单
if (new_index < 0)
{
new_index = menu_count - 1;
}
else if (new_index >= menu_count)
{
new_index = 0;
}
menu_index = new_index;
last_position = current_position;
// 显示当前菜单项
printf("当前选择: %s\n", menu_items[menu_index]);
}
}
代码说明： - 第13行：计算位置变化量（delta） - 第18行：根据变化量调整LED亮度 - 第58-68行：实现循环菜单选择 - 编码器提供了直观的旋转控制方式
编码器分辨率计算：
步骤5：定时器级联与同步¶
5.1 定时器级联原理¶
定时器级联（Timer Cascading）允许一个定时器的溢出触发另一个定时器计数，从而实现更长的计时周期或更复杂的定时功能。
级联模式： - 主从模式：一个定时器作为主定时器，另一个作为从定时器 - 触发源：主定时器的更新事件触发从定时器 - 应用：扩展计数范围、实现长时间延时
级联示意图：
graph LR
A[TIM2主定时器] -->|溢出事件| B[TIM3从定时器]
B -->|溢出事件| C[TIM4从定时器]
C --> D[产生中断]5.2 实现长时间延时¶
使用两个定时器级联实现超长延时：
/**
* @brief 配置TIM2和TIM3级联，实现长时间延时
* @param None
* @retval None
* @note TIM2作为主定时器，TIM3作为从定时器
*/
void TIM_Cascade_Init(void)
{
// 1. 配置TIM2（主定时器）
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 84 - 1; // 1MHz
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 1000 - 1; // 1ms溢出一次
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
// 配置TIM2为主模式，更新事件作为触发输出
TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE;
sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_ENABLE;
HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig);
// 2. 配置TIM3（从定时器）
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
TIM_HandleTypeDef htim3;
htim3.Instance = TIM3;
htim3.Init.Prescaler = 0; // 不分频
htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim3.Init.Period = 60000 - 1; // 计数60000次
htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim3);
// 配置TIM3为从模式，由TIM2触发
TIM_SlaveConfigTypeDef sSlaveConfig = {0};
sSlaveConfig.SlaveMode = TIM_SLAVEMODE_EXTERNAL1;
sSlaveConfig.InputTrigger = TIM_TS_ITR1; // TIM2的TRGO连接到TIM3的ITR1
HAL_TIM_SlaveConfigSynchro(&htim3, &sSlaveConfig);
// 3. 使能TIM3中断
HAL_NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM3_IRQn);
__HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim3, TIM_IT_UPDATE);
// 4. 启动定时器
HAL_TIM_Base_Start(&htim2);
HAL_TIM_Base_Start(&htim3);
}
/**
* @brief TIM3中断服务函数
* @param None
* @retval None
*/
void TIM3_IRQHandler(void)
{
if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim3, TIM_FLAG_UPDATE))
{
__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim3, TIM_FLAG_UPDATE);
// TIM2每1ms溢出一次，TIM3计数60000次
// 总延时 = 1ms × 60000 = 60秒
printf("60秒定时到达!\n");
}
}
代码说明： - 第22行：配置TIM2的触发输出为更新事件 - 第39行：配置TIM3的触发输入为TIM2的输出 - TIM2每1ms溢出一次，触发TIM3计数 - TIM3计数60000次后产生中断，总延时60秒
级联计算：
5.3 定时器同步¶
多个定时器同步启动，用于需要精确时序的应用：
/**
* @brief 配置多个定时器同步启动
* @param None
* @retval None
*/
void TIM_Synchronization_Init(void)
{
// 1. 配置TIM2为主定时器
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 84 - 1;
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 1000 - 1;
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
// 配置为主模式
TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_ENABLE; // 使能信号作为触发
sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_ENABLE;
HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig);
// 2. 配置TIM3为从定时器
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
TIM_HandleTypeDef htim3;
htim3.Instance = TIM3;
htim3.Init.Prescaler = 84 - 1;
htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim3.Init.Period = 2000 - 1;
htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim3);
// 配置为从模式，由TIM2触发启动
TIM_SlaveConfigTypeDef sSlaveConfig = {0};
sSlaveConfig.SlaveMode = TIM_SLAVEMODE_TRIGGER;
sSlaveConfig.InputTrigger = TIM_TS_ITR1;
HAL_TIM_SlaveConfigSynchro(&htim3, &sSlaveConfig);
// 3. 配置TIM4为从定时器
__HAL_RCC_TIM4_CLK_ENABLE();
TIM_HandleTypeDef htim4;
htim4.Instance = TIM4;
htim4.Init.Prescaler = 84 - 1;
htim4.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim4.Init.Period = 3000 - 1;
htim4.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_Base_Init(&htim4);
// 配置为从模式
sSlaveConfig.InputTrigger = TIM_TS_ITR1;
HAL_TIM_SlaveConfigSynchro(&htim4, &sSlaveConfig);
// 4. 启动主定时器，从定时器会自动同步启动
HAL_TIM_Base_Start(&htim2);
}
代码说明： - 第21行：主定时器的使能信号作为触发源 - 第38、54行：从定时器配置为触发模式，由主定时器启动 - 所有定时器在主定时器启动时同步开始计数 - 适用于需要精确时序关系的多路信号生成
步骤6：综合应用项目¶
6.1 项目：超声波测距系统¶
使用输入捕获测量超声波模块的回波时间，计算距离：
/**
* @brief 超声波测距系统
* @param None
* @retval None
*/
// 全局变量
static uint32_t ultrasonic_start_time = 0;
static uint32_t ultrasonic_end_time = 0;
static uint8_t ultrasonic_state = 0; // 0=等待上升沿，1=等待下降沿
static float ultrasonic_distance = 0.0f;
/**
* @brief 配置超声波测距
* @param None
* @retval None
* @note Trig引脚：PB0（普通GPIO）
* Echo引脚：PA0（TIM2_CH1输入捕获）
*/
void Ultrasonic_Init(void)
{
// 1. 配置Trig引脚为输出
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
// 2. 配置Echo引脚为输入捕获
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF1_TIM2;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// 3. 配置TIM2输入捕获
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 84 - 1; // 1MHz = 1us分辨率
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 0xFFFFFFFF;
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_IC_Init(&htim2);
// 配置为双边沿捕获
TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC = {0};
sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_BOTHEDGE; // 双边沿
sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
sConfigIC.ICFilter = 0;
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1);
// 启动输入捕获
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
}
/**
* @brief 触发超声波测距
* @param None
* @retval None
*/
void Ultrasonic_Trigger(void)
{
// 发送10us高电平脉冲
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
delay_us(10);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
ultrasonic_state = 0; // 重置状态
}
/**
* @brief 输入捕获中断回调
* @param htim: 定时器句柄
* @retval None
*/
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM2 && htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
{
if (ultrasonic_state == 0)
{
// 捕获上升沿 - 回波开始
ultrasonic_start_time = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
ultrasonic_state = 1;
}
else
{
// 捕获下降沿 - 回波结束
ultrasonic_end_time = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
// 计算时间差（us）
uint32_t time_diff;
if (ultrasonic_end_time >= ultrasonic_start_time)
{
time_diff = ultrasonic_end_time - ultrasonic_start_time;
}
else
{
time_diff = (0xFFFFFFFF - ultrasonic_start_time) + ultrasonic_end_time;
}
// 计算距离（cm）
// 距离 = (时间 × 声速) / 2
// 声速 = 340m/s = 0.034cm/us
ultrasonic_distance = (time_diff * 0.034f) / 2.0f;
ultrasonic_state = 0;
}
}
}
/**
* @brief 获取测量距离
* @param None
* @retval 距离（cm）
*/
float Ultrasonic_Get_Distance(void)
{
return ultrasonic_distance;
}
/**
* @brief 超声波测距主循环
* @param None
* @retval None
*/
void Ultrasonic_Main_Loop(void)
{
while (1)
{
// 触发测距
Ultrasonic_Trigger();
// 等待测量完成
HAL_Delay(100);
// 读取距离
float distance = Ultrasonic_Get_Distance();
printf("距离: %.2f cm\n", distance);
// 每秒测量10次
HAL_Delay(100);
}
}
代码说明： - 第53行：配置为双边沿捕获，同时捕获上升沿和下降沿 - 第72-74行：发送10us触发脉冲 - 第90-92行：捕获上升沿，记录开始时间 - 第96-98行：捕获下降沿，记录结束时间 - 第112行：根据声速和时间计算距离
6.2 项目：四路PWM舵机控制¶
使用4个PWM通道同时控制4个舵机：
/**
* @brief 舵机控制系统
* @param None
* @retval None
*/
/**
* @brief 初始化4路舵机PWM
* @param None
* @retval None
* @note 舵机PWM频率50Hz，周期20ms
* 脉宽0.5ms-2.5ms对应角度0-180度
*/
void Servo_Init(void)
{
// 1. 使能时钟
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
// 2. 配置GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// PA6, PA7 -> TIM3_CH1, CH2
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_TIM3;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
// PB0, PB1 -> TIM3_CH3, CH4
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0 | GPIO_PIN_1;
HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
// 3. 配置定时器
TIM_HandleTypeDef htim3;
htim3.Instance = TIM3;
htim3.Init.Prescaler = 84 - 1; // 1MHz
htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim3.Init.Period = 20000 - 1; // 20ms周期 = 50Hz
htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);
// 4. 配置4个PWM通道
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 1500; // 初始位置：中间（90度）
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_3);
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_4);
// 5. 启动PWM
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_2);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_3);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_4);
}
/**
* @brief 设置舵机角度
* @param channel: 通道号（1-4）
* @param angle: 角度（0-180）
* @retval None
*/
void Servo_Set_Angle(uint8_t channel, uint8_t angle)
{
// 限制角度范围
if (angle > 180) angle = 180;
// 计算脉宽：0度=0.5ms(500us)，180度=2.5ms(2500us)
// pulse = 500 + (angle / 180) * 2000
uint32_t pulse = 500 + (angle * 2000) / 180;
// 设置对应通道的PWM
switch (channel)
{
case 1:
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pulse);
break;
case 2:
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_2, pulse);
break;
case 3:
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_3, pulse);
break;
case 4:
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_4, pulse);
break;
}
}
/**
* @brief 舵机扫描演示
* @param None
* @retval None
*/
void Servo_Sweep_Demo(void)
{
// 4个舵机依次从0度扫描到180度
for (uint8_t angle = 0; angle <= 180; angle += 10)
{
Servo_Set_Angle(1, angle);
Servo_Set_Angle(2, 180 - angle); // 反向
Servo_Set_Angle(3, angle);
Servo_Set_Angle(4, 180 - angle); // 反向
HAL_Delay(50);
}
}
代码说明： - 第39行：PWM周期20ms，频率50Hz（舵机标准频率） - 第46行：初始脉宽1.5ms，对应90度中间位置 - 第76行：角度到脉宽的线性转换公式 - 第105-111行：4个舵机同步运动演示
验证测试¶
测试1：输入捕获频率测量¶
测试步骤： 1. 使用信号发生器产生1kHz方波信号 2. 连接到输入捕获引脚 3. 运行频率测量程序 4. 读取测量结果
预期结果： - 测量频率：1000Hz ± 10Hz - 误差 < 1% - 稳定可靠，无丢失
验证代码：
void Test_Input_Capture(void)
{
printf("输入捕获频率测量测试\n");
printf("请连接1kHz信号到PA0引脚\n");
HAL_Delay(2000); // 等待信号稳定
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
uint32_t freq = Get_Signal_Frequency();
printf("测量 %d: %lu Hz\n", i+1, freq);
HAL_Delay(500);
}
}
测试2：PWM输出验证¶
测试步骤： 1. 连接LED到PWM输出引脚 2. 设置不同的占空比（0%, 25%, 50%, 75%, 100%） 3. 观察LED亮度变化 4. 使用示波器测量PWM波形
预期结果： - LED亮度随占空比线性变化 - PWM频率准确（1kHz） - 占空比误差 < 2%
验证代码：
void Test_PWM_Output(void)
{
printf("PWM输出测试\n");
uint8_t duty_levels[] = {0, 25, 50, 75, 100};
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
printf("设置占空比: %d%%\n", duty_levels[i]);
TIM2_Set_PWM_Duty(duty_levels[i]);
HAL_Delay(2000);
}
}
测试3：编码器接口测试¶
测试步骤： 1. 连接旋转编码器到TIM2_CH1和CH2 2. 正向旋转编码器10圈 3. 反向旋转编码器10圈 4. 检查计数值
预期结果： - 正向旋转：计数值递增 - 反向旋转：计数值递减 - 旋转10圈后回到初始位置，计数值为0 - 无丢步现象
验证代码：
void Test_Encoder(void)
{
printf("编码器接口测试\n");
printf("请旋转编码器...\n");
Encoder_Reset_Position();
while (1)
{
int32_t position = Encoder_Get_Position();
int8_t direction = Encoder_Get_Direction();
printf("位置: %ld, 方向: %s\n",
position,
direction == 1 ? "正向" : (direction == -1 ? "反向" : "静止"));
HAL_Delay(100);
}
}
故障排除¶
问题1：输入捕获无法触发¶
可能原因： - GPIO复用功能配置错误 - 输入信号电平不匹配 - 捕获极性设置错误 - 中断未使能
解决方法： 1. 检查GPIO复用配置
-
检查输入信号
-
检查捕获极性
-
确认中断使能
问题2：PWM输出频率不正确¶
可能原因： - 预分频器设置错误 - 自动重装载值计算错误 - 定时器时钟源配置错误
解决方法： 1. 确认定时器时钟频率
// STM32F4系列，APB1定时器时钟通常为84MHz
uint32_t timer_clock = HAL_RCC_GetPCLK1Freq() * 2;
printf("定时器时钟: %lu Hz\n", timer_clock);
-
重新计算参数
-
使用示波器验证
问题3：编码器计数不准确¶
可能原因： - 编码器信号抖动 - 滤波器设置不当 - 编码器模式选择错误 - 接线松动或干扰
解决方法： 1. 增加输入滤波
-
检查编码器模式
-
改善接线
-
软件去抖
问题4：定时器级联不工作¶
可能原因： - 主从模式配置错误 - 触发源选择错误 - 定时器连接关系错误
解决方法： 1. 检查触发源配置
// 主定时器配置
sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE;
// 从定时器配置
sSlaveConfig.InputTrigger = TIM_TS_ITR1; // 查阅参考手册确认连接关系
-
确认定时器连接关系
-
验证级联功能
进阶技巧¶
技巧1：使用DMA提高效率¶
对于高频率的输入捕获或PWM更新，使用DMA可以减少CPU负担：
/**
* @brief 配置输入捕获使用DMA
* @param None
* @retval None
*/
void TIM_IC_DMA_Init(void)
{
// 配置DMA
__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
DMA_HandleTypeDef hdma_tim2_ch1;
hdma_tim2_ch1.Instance = DMA1_Stream5;
hdma_tim2_ch1.Init.Channel = DMA_CHANNEL_3;
hdma_tim2_ch1.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
hdma_tim2_ch1.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
hdma_tim2_ch1.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
hdma_tim2_ch1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;
hdma_tim2_ch1.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;
hdma_tim2_ch1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
hdma_tim2_ch1.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
HAL_DMA_Init(&hdma_tim2_ch1);
// 关联DMA和定时器
__HAL_LINKDMA(&htim2, hdma[TIM_DMA_ID_CC1], hdma_tim2_ch1);
// 启动DMA传输
uint32_t capture_buffer[100];
HAL_TIM_IC_Start_DMA(&htim2, TIM_CHANNEL_1, capture_buffer, 100);
}
技巧2：定时器输出比较实现精确延时¶
不使用阻塞延时，而是使用输出比较实现非阻塞延时：
/**
* @brief 非阻塞延时
* @param delay_us: 延时时间（微秒）
* @retval None
*/
void Non_Blocking_Delay_Start(uint32_t delay_us)
{
uint32_t current = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);
uint32_t target = current + delay_us;
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, target);
__HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim2, TIM_IT_CC1);
}
// 在中断中处理延时到达事件
void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM2)
{
// 延时到达，执行相应操作
__HAL_TIM_DISABLE_IT(htim, TIM_IT_CC1);
}
}
技巧3：PWM互补输出与死区时间¶
用于电机驱动的H桥控制：
/**
* @brief 配置互补PWM输出
* @param None
* @retval None
* @note 用于H桥电机驱动
*/
void TIM1_Complementary_PWM_Init(void)
{
// TIM1支持互补输出
TIM_HandleTypeDef htim1;
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = 84 - 1;
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim1.Init.Period = 1000 - 1;
htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);
// 配置PWM通道
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
sConfigOC.Pulse = 500;
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH; // 互补输出极性
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
// 配置死区时间
TIM_BreakDeadTimeConfigTypeDef sBreakDeadTimeConfig = {0};
sBreakDeadTimeConfig.OffStateRunMode = TIM_OSSR_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.OffStateIDLEMode = TIM_OSSI_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.LockLevel = TIM_LOCKLEVEL_OFF;
sBreakDeadTimeConfig.DeadTime = 100; // 死区时间
sBreakDeadTimeConfig.BreakState = TIM_BREAK_DISABLE;
sBreakDeadTimeConfig.BreakPolarity = TIM_BREAKPOLARITY_HIGH;
sBreakDeadTimeConfig.AutomaticOutput = TIM_AUTOMATICOUTPUT_DISABLE;
HAL_TIMEx_ConfigBreakDeadTime(&htim1, &sBreakDeadTimeConfig);
// 启动互补PWM
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); // 启动互补输出
}
注意事项¶
1. 定时器资源分配¶
资源冲突： - 同一定时器的不同通道共享计数器和预分频器 - 不同功能模式可能互相冲突 - 合理规划定时器资源使用
建议：
TIM1: 高级定时器，用于电机控制（互补PWM）
TIM2/TIM5: 32位定时器，用于长时间计数或编码器
TIM3/TIM4: 通用定时器，用于PWM输出或输入捕获
TIM9-TIM14: 简化定时器，用于简单的PWM或计数
2. 中断优先级设置¶
优先级规划：
// 高优先级：实时性要求高的任务
HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 0, 0); // 输入捕获
// 中优先级：一般任务
HAL_NVIC_SetPriority(TIM3_IRQn, 1, 0); // PWM更新
// 低优先级：非实时任务
HAL_NVIC_SetPriority(TIM4_IRQn, 2, 0); // 周期性任务
3. 定时器时钟源¶
时钟配置： - APB1定时器：TIM2-TIM7, TIM12-TIM14 - APB2定时器：TIM1, TIM8-TIM11 - 注意APB1和APB2的时钟频率可能不同
时钟倍频：
4. 浮点运算优化¶
避免在中断中使用浮点运算：
// 不推荐：在中断中使用浮点
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
float distance = (time_diff * 0.034f) / 2.0f; // 慢
}
// 推荐：使用整数运算
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
uint32_t distance_mm = (time_diff * 34) / 200; // 快
}
总结¶
通过本教程，你学习了：
- ✅ 通用定时器的工作模式和高级功能
- ✅ 输入捕获模式测量信号频率、脉宽和占空比
- ✅ 输出比较模式生成精确的时序信号
- ✅ PWM模式控制LED亮度和电机速度
- ✅ 编码器接口读取旋转编码器位置
- ✅ 定时器级联实现长时间延时
- ✅ 综合应用：超声波测距和舵机控制
关键要点： 1. 通用定时器功能丰富，一个定时器可实现多种功能 2. 输入捕获适合测量外部信号参数 3. PWM是控制模拟量的有效方法 4. 编码器接口专门用于旋转编码器 5. 定时器级联可扩展计数范围 6. 合理规划定时器资源和中断优先级
进阶挑战¶
尝试以下挑战来巩固学习：
- 挑战1：实现一个频率计
- 测量范围：1Hz - 1MHz
- 自动切换测量模式
-
显示频率和占空比
-
挑战2：实现RGB LED调色
- 使用3个PWM通道控制RGB
- 实现颜色渐变效果
-
支持HSV到RGB转换
-
挑战3：实现步进电机控制
- 使用4个PWM通道
- 支持全步、半步、微步
-
实现加减速控制
-
挑战4：实现示波器功能
- 使用输入捕获采集信号
- 使用DMA高速传输
- 在LCD上显示波形
完整代码¶
完整的示例代码可以在这里下载：
- 输入捕获示例
- PWM控制示例
- 编码器接口示例
- 超声波测距项目
- 舵机控制项目
下一步¶
建议继续学习：
参考资料¶
官方文档¶
- STM32F4xx Reference Manual (RM0090)
- 第13章：通用定时器（TIM2-TIM5）
- 第14章：通用定时器（TIM9-TIM14）
-
详细的寄存器说明和时序图
-
STM32F4xx HAL Driver User Manual
- TIM HAL驱动API说明
-
配置示例和最佳实践
-
AN4013: STM32 Cross-series Timer Overview
- 不同系列定时器对比
- 功能选择指南
应用笔记¶
- AN4776: General-purpose Timer Cookbook
- 定时器应用实例
-
常见问题解决方案
-
AN4013: STM32 Timer Overview
- 定时器功能详解
- 应用场景分析
在线资源¶
相关教程¶
测试环境: - 开发板：STM32F407 Discovery - IDE：STM32CubeIDE v1.10 - HAL库版本：v1.27 - 编译器：GCC ARM 10.3
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版权声明：本教程采用 CC BY-SA 4.0 许可协议。