本帖最后由 MindMotion 于 2024-4-18 11:13 编辑
本篇笔记主要探讨 MM32F0140 定时器模块的框图结构、定时器提供的计数定时等功能以及配置定时器的流程，并以 pokt-f0140 开发板作为实际演示平台，使用开发板上 32 位定时器 TIM2 进行 pwm 波输出实验。
TIM 功能描述
MM32F0140 TIM 最基本的功能为计数定时，此功能依靠定时器内部的预分频器 PSC 、计数器 CNT 和 自动预装载寄存器 ARR 合作完成。此外，定时器如有输入输出通道，则还能提供输入捕获、比较输出和从模式输入等功能。在此之上，对于拥有额外刹车输入通道的高级定时器而言，还可提供刹车和死区设置。
1）TIM 框图
下图1 为 MM32F0140 高级定时器的结构框图，各部分支持不同的功能。其中：
- 红框支持最基本的计数定时功能。计数器、预分频器和自动预装载器也被称为定时器的时基单元。预分频器 PSC 将输入的时钟信号进行分频，计数器 CNT 对分频信号进行计数。计数器值和自动预装载寄存器 ARR 值进行比较，发生上溢或下溢时，则表明完成一次周期计数，周期值为 ARR 寄存器写入值，频率为输入时钟源经过 PSC 预分频器分频后频率。
- 灰框支持从模式输入功能。除内部时钟外，定时器模块可以通过配置从模式，选择来自外部输入引脚 TI1 或 TI2 的输入信号或 ETR 引脚信号或其他定时器的 ITRx 信号作为时钟输入源。
- 绿框支持输入捕获功能。当通道 x 配置为输入捕获模式时，通道 x 的输入信号依次经过滤波、边沿检测以及分频，触发通道 x 捕获事件。定时器模块会将当前计数器计数值写入对应通道的捕获/比较寄存器 CCRx 中。
- 蓝框支持比较输出功能。当通道 x 配置为比较输出模式时，定时器将当前计数器值与通道 x 捕获/比较寄存器 CCRx 中值进行比较，相等时定时器将改变通道 x 的参考输出电压 REF。
- 黑框支持刹车功能，当 BKIN 通道有指定刹车信号出现时，各路输出通道将输出预设的空闲输出电压。
图1. MM32F0140 高级定时器框图
下文将详细叙述定时器的计数定时、输入捕获和比较输出这三个主要功能。
2）计数定时
计数定时即计数器使能后，在一定计数频率下进行计数。根据设置的计数方向，计数器完成周期次计数后，定时器触发更新中断。
计数器频率计算
设定时器输入频率为 clk_frq，预分频器分频值为 psc，则计数器频率 cnt_frq 为
计数器计数方向
MM32F0140 定时器中 TIM14、TIM16 和 TIM17 仅提供向上计数。其余定时器可以提供以下三种可选计数方向：
- 向上计数，计数器从 0 开始向上计数，递增到 ARR 自动预装载寄存器值后，计数器产生上溢事件。定时器产生一个更新事件，计数器又从 0 开始计数。
- 向下计数，计数器从 ARR 自动预装载寄存器值开始向下计数，递减到 0 后，计数器产生下溢事件。定时器产生一个更新事件，计数器又从 ARR 自动预装载寄存器值开始计数。
- 先向上计数再向下计数。计数器从 0 开始向上计数，递增到 ARR 自动预装载寄存器值后，计数器产生上溢事件。定时器产生一个更新事件。然后计数器从 ARR 自动预装载寄存器值开始向下计数，递减到 0 后，计数器产生下溢事件。定时器再产生一个更新事件。
图2 定时器向上计数
如图2 所示，定时器输入时钟即分频器时钟 CK_PSC，预分频器 PSC 值为 1 ，即定时器频率为 CK_PSC 的二分频频率。定时器自动装载值 ARR 为 5，从图中可见计数器 CNT 达到 5 时，产生一个更新事件 UEV。
定时器周期长度
ARR 自动预装载寄存器的值为定时器周期长度，决定定时器计数多少次后产生一个更新事件。
3）比较输出
如图3 所示，定时器比较输出功能通过计数器、通道 x 的捕获/比较寄存器 CCRx 以及输出控制电路实现。定时器将计数器和捕获/比较寄存器 CCRx 值实时比较，当二值相等时会改变通道 x 的参考输出电压 REF，参考输出电压 REF 和输出控制电路共同决定通道 x 的实际电压值。
图3 MM32F0140 定时器输出通道1示意图
比较输出匹配值
输出通道x 对应的 CCRx 寄存器值为比较输出匹配值，定时器将在计数器值和通道 x 的匹配值相等时，根据比较输出模式，改变通道 x 的参考输出电压REF。
比较输出模式选择
MM32 F0140 的 TIM 模块一共有 7 种比较输出模式：
- 匹配结果对于参考输出电压 REF 没有影响。
- 匹配时将参考输出电压 REF 设为高电平。
- 匹配时将参考输出电压 REF 设为低电平。
- 匹配时翻转参考输出电压 REF。
- 强制参考输出电压 REF为低电平。
- 强制参考输出电压 REF为高电平。
- PWM模式1：当计数值小于匹配值时，参考电压REF为高电平，否则为低电平。
- PWM模式2：当计数值小于匹配值时，参考电压REF为低电平，否则为高电平。
参考输出电压和实际输出电压间关系
定时器 CCER[CCxP] 位决定了参考输出电压和实际输出电压间关系，具体可见表1。CCER[CCxP]值为0表示高电平有效，为1表示低电平有效。
表1 CCER[CCxP]值对实际输出电压的影响
如下图 4 所示，通道1的比较值为1，当计数器值小于1时，通道1的比较输出电压 OC1REF 为高；当计数器值等于1时，通道1 的比较输出电压 OC1REF 拉低，产生一个下降沿。OC1REF 将一直保持为低，直到定时器更新事件发生，计数器从 0 开始计数时，OC1REF 又被拉高。
图4 递增计数下PWM模式1时输出通道参考电压
4）输入捕获
如图5 所示，输入通道 x 的输入信号 TIx 经过滤波器、边沿检测、分频以后被定时器捕获，定时器将输入捕获时刻的计数器值写入相应通道的捕获/比较寄存器 CCRx 中。
图5 MM32F0140输入捕获框图
计数定时配置
1）时基配置
配置定时器工作模式
配置 CR1[OPM] 位可以设置定时器工作模式，其中值为 0 表示定时器将循环计时，值为 1 表示计时 1 次后就停止计数器。
配置是否预装载
配置 CR1[ARPE] 位可以配置定时器自动预装载寄存器 ARR 的实际更新方式，值为1则用户写入 ARR 寄存器的值会在下一次计数器更新时起效，否则立刻生效。
配置计数模式
配置 CR1[DIR] 位和 CR1[CMS] 位可以配置计数器计数模式。如果选择单向计数，CR1[CMS]需配置为 0，此时CR1[DIR] 配置为 0 时，向上计数，配置为 1 时向下计数。如果选择先向上计数再向下计数，则需要配置 CR1[CMS]，CR1[DIR] 值保持为 0。
配置预分频值
由上述计数器频率计算小结可知，如果需要定时器频率为 cnt_frq, 定时器输入源频率为 clk_frq，定时器的预分频值 psc 应为
计算出的 psc 值写入 PSC 寄存器。
配置自动预装载寄存器 ARR
自动预装载寄存器 ARR 的值决定定时器周期计数次数。假如定时器向上计数，则计数器从 0 递增到 ARR 值，即 ARR 寄存器值为 arrv，则实际计数器一个周期内会做arrv+1 次计数，所以ARR 寄存器值应为需要的周期计数值减一。将此值写入 ARR 寄存器。
使能计数器
完成上述配置后，将 CR1[CEN] 置为 1 即可启动计数器计数。当不需要计数时，将此位设置为 0。
2）比较输出配置
配置通道输出模式
配置 CCMRy[CCxS] 位为 0，可以将通道 x 配置为输出模式。
配置是否预装载匹配值
配置 CCMRy[OCxPE] 位可以设置通道 x 的比较输出匹配值生效方式，为 0 则一旦写入立刻生效，否则匹配值将在下一次更新事件后生效。
配置比较输出模式
配置 CCMRy[OCxM] 字段可以选择不同的比较输出模式，具体字段值和比较输出模式间关系可见表3。
表3 CCMRy[OCxM] 与 比较输出模式间对应关系
配置有效输出电压
配置 CCER[CCxP] 位，可以设置通道 x 的有效输出电压。值为0，则参考电压的高电平为有效电平；值为1，则参考电压的低电平为有效电平。
使能通道输出
配置 CCER[CCxE] 位为1，使能通道输出功能；配置为 0，则关闭通道输出功能。
3）输入捕获配置
配置通道输入模式
配置 CCMRy[CCxS] 位为1，可将通道 x 配置为输入模式。
配置输入信号边沿选择
配置 CCER[CCxP] 和 CCER[CCxNP] 位，可以配置输入信号的有效边沿选择，具体对应关系如表4。
表4 输入模式下，CCER[CCxP]和CCER[CCxNP]对于输入边沿影响
配置采样和滤波
配置 CCMRy[ICxF] 字段，设置通道 x 的输入捕获滤波器。
配置预分频器
配置 CCMRy[IC1PSC] 字段，设置通道 x 输入信号的预分频值。
使能通道输入
配置 CCER[CCxE] 位为 1，使能通道输入捕获功能；配置为 0，则关闭通道输入捕获功能。
样例
——pokt-f0140 开发板 定时器实现TIM2通道1输出pwm波
在 SDK 中已有支持的 pokt-f0140 开发板上，在 tim_32b_0 样例工程中，通过 tim_32b_output_compare_pwm 可以使用定时器 TIM2 的通道 1 输出 pwm 波。
1）时钟初始化
TIM2 在 APB2 总线上，需要使能时钟。TIM2 的通道 1 复用 PA0 引脚，需要使能 GPIOA 时钟。
/* Enable TIM. */
RCC_EnableAPB1Periphs(RCC_APB1_PERIPH_TIM2, true);
RCC_ResetAPB1Periphs(RCC_APB1_PERIPH_TIM2);
/* Enable GPIOA for TIM2_CH1. */
RCC_EnableAHB1Periphs(RCC_AHB1_PERIPH_GPIOA, true);
RCC_ResetAHB1Periphs(RCC_AHB1_PERIPH_GPIOA);
2）初始化输出引脚
GPIO_Init_Type gpio_init;
gpio_init.Pins = GPIO_PIN_0;
gpio_init.PinMode = GPIO_PinMode_AF_PushPull;
gpio_init.Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init);
GPIO_PinAFConf(GPIOA, gpio_init.Pins, GPIO_AF_2);/* 根据data sheet, 配置复用模式2。 */
3）定时器时基配置TIM_32B_Init_Type tim_init;
tim_init.ClockFreqHz = BOARD_TIM_32B_FREQ;/* 因为 TIM_32B 在APB2总线上，所以BOARD_TIM_32B_FREQ的值实际为APB2总线时钟频率。*/
tim_init.StepFreqHz = APP_TIM_UPDATE_PERIOD; /* 定时器周期时长为定时器周期长度Period加1后除定时器频率StepFreqHz。*/
tim_init.Period = APP_TIM_UPDATE_PERIOD - 1u; /* 所以可得值为1，也即定时器周期时长为1s。 */
tim_init.EnablePreloadPeriod = false; /* 不采用预装载，修改ARR寄存器将立即生效。 */
tim_init.PeriodMode = TIM_32B_PeriodMode_Continuous;/* 循环计时。 */
tim_init.CountMode = TIM_32B_CountMode_Increase; /* 递增计数。 */
TIM_32B_Init(BOARD_TIM_32B_PORT, &tim_init);
4）配置输出通道
TIM_32B_OutputCompareConf_Type tim_outcomp_conf;
tim_outcomp_conf.ChannelValue = 0u;/* Compare value initialize with 0. */
tim_outcomp_conf.EnableFastOutput = false; /* Disable fast output. */
tim_outcomp_conf.EnablePreLoadChannelValue = false; /* Disable preload, put data immediately. */
tim_outcomp_conf.RefOutMode = TIM_32B_OutputCompareRefOut_FallingEdgeOnMatch;/*Generate a falling edge when matched.*/
tim_outcomp_conf.ClearRefOutOnExtTrigger = false; /* Ext signal won't clear output. */
tim_outcomp_conf.PinPolarity = TIM_32B_PinPolarity_Rising;/* High polarity is valid. */
TIM_32B_EnableOutputCompare(BOARD_TIM_32B_PORT, BOARD_TIM_32B_CHANNEL, &tim_outcomp_conf);
5）使能计数器
TIM_32B_Start(BOARD_TIM_32B_PORT);
6）main 函数
main 函数将轮询键入，并按设定的占空比数组循环输出不同的 PWM 波。
int main(void)
{
BOARD_Init();
printf("\r\ntim_32b_output_compare_pwm.\r\n");
/* Setup the timer. */
app_tim_32b_init();
printf("press any key to change the pwm ...\r\n");
while (1)
{
for (uint32_t i = 0; i < APP_TIM_32B_PWM_NUM; i++)
{
getchar();
TIM_32B_PutChannelValue(BOARD_TIM_32B_PORT, BOARD_TIM_32B_CHANNEL, app_tim_32_pwm_val[i]);/* Change duty cycle. */
printf("PWM value: %u\r\n", (unsigned)app_tim_32_pwm_val[i]);
}
}
}
7）实验结果
将 TIM2 通道1 所在引脚用杜邦线与小灯泡引脚相连，可以实现呼吸灯的效果。因为每次键入，都会改变 pwm 波的占空比，所以小灯泡的亮度在不断改变：
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