江科大/江协科技 STM32学习笔记P13

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筋斗云
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TIM定时中断

1、TIM简介

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定时器的基准时钟一般都是主频72MHz,如果对72MHz计72个数,就是1us的时间,如果计72000个数就是1ms的时间。

计数器

就是执行计数定时的一个寄存器,每来一个时钟计数器加一

PSC预分频器

对计数器的时钟进行分频,让计数更灵活

ARR自动重装寄存器

计数的目标值,就是想要计多少个时钟申请中断

2、定时器类型

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基本定时器

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基本定时器只能选内部时钟,通向时基单元的计数基准频率一般是与系统的主频72MHz有关的72M,到预分配器这里,如果寄存器写0就是不分频,写1就是2分频,输出频率=输入频率/2=36MHz,以此类推,即实际分频系数=预分频器的值+1。然后到了计数器,计数器可以对预分频后的计数时钟进行计数,计数器的值会在计时过程中不断的自增运行,当到目标值时,产生中断,完成了定时的任务。ARR自动重装寄存器存的就是计数目标,当计数值等于自动重装值时,计时时间到了,产生一个中断信号并且清零计数器,计数器自动开始下一次的计数计时,这种计数值等于自动重装值产生的中断,一般叫“更新中断”,这个更新中断结束后会通往NVIC,再配置好NVIC的定时器通道,定时器的更新中断就能得到CPU响应。向上的折线箭头代表产生中断,向下的箭头代表产生一个事件,这里对应的事件叫做“更新事件”,更新事件不会触发中断,但可以触发内部其他电路的工作。

主模式触发DAC

在使用DAC时,可能会用DAC输出一段波形,那就需要每隔一段时间触发一次DAC,让他输出下一个电压点。如果用正常思路来实现,先设置一个定时器产生中断,每隔一段时间在中断程序中调用代码手动触发一次DAC转换,然后DAC输出,这样会使主程序处于频繁被中断的状态,影响主程序的运行和其他中断的响应,所以定时器设计了一个主模式,使用主模式可以把定时器的更新事件映射到触发输出TRGO的位置,然后TRGO直接接到DAC的触发转换引脚上,这样定时器的更新就不需要通过中断来触发DAC转换了

通用定时器

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通用定时器和高级定时器除了向上计数模式外,还支持向下计数模式和中央对齐模式。向下计数模式就是从重装值开始向下自减,减到0之后回到重装值同时申请中断,然后下一轮。中央对齐模式就是先向上自增到重装值,申请中断,然后再向下自减减到0,申请中断,然后下一轮。
图上面是内外时钟源选择和主从触发模式的结构。先看内外时钟源选择,第一个外部时钟是来自TIMx_ETR引脚上的外部时钟,ETR引脚的位置如下图复用到了PA0。
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即在PA0上接一个外部方波时钟,然后配置内部的极性选择、边沿检测和预分频器电路,再配置一下输入滤波电路,这些电路对外部时钟进行一定的整形,因为是外部引脚的时钟,这些电路对输入的波形进行滤波,滤波后的信号上面一路ETRF进入触发控制器,紧跟着可选择作为时基单元的时钟了,如果想在ETR外部引脚提供时钟,或者想对ETR时钟进行计数,把这个定时器当计数器来用的话,那就可以配置这一路的电路,在STM32中这一路也叫外部时钟模式2。
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下面一路TRGI,主要用作触发输入来使用,可以触发定时器的从模式。本节讲触发输入作为外部时钟来使用的情况,暂且把TRGI当做外部时钟的输入来看,这种情况这一路叫“外部时钟模式1”,通过这一路的外部时钟,第一个是ETR引脚的信号,ETR引脚既可以通过上面一路当时钟,又可以通过下面一路当时钟,下面一路输入会占用触发输入的通道。第二种就是ITR信号,这一部分的时钟信号来自其他定时器,从右边可以看出这个主模式的输出TRGO可以通向其他定时器,接到其他定时器的ITR引脚,这里ITR0到ITR3分别来自其他四个定时器的TRGO输出,实现定时器级联的功能,比如可以先初始化TIM3,然后使用主模式把它的更新事件映射到TRGO上,接着再初始化TIM2,选ITR2,对应TIM3的TRGO,后面选择时钟为外部模式1,这样TIM3的更新事件就可以驱动TIM2的时基单元,实现定时器的级联。第三种是CH1引脚的边沿,也就是从CH1引脚获得时钟,带ED就是边沿的意思,上升沿和下降沿均有效。第四种,CH1引脚和CH2引脚,通过TI1FP1和TI2FP2获得,TI1FP1连接到CH1引脚的时钟。
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下面部分主要包含两块电路,右边是输出比较电路,四个通道对应CH1-4,可以用于输出PWM波形,驱动电机,左边这一块是输入捕获电路,四个通道,可以用于测量输入方波的频率等。中间的寄存器是捕获/比较寄存器,是输入捕获和输出比较电路共用的,因为输入捕获和输出比较不能同时使用,所以共用。

高级定时器

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在申请中断的地方增加了一个重复次数计数器,右上,有了这个计数器之后,就可以实现每隔几个计数周期才发生一次更新事件和更新中断,相当于对输出的更新信号又做了一次分频。
DTG是死区生成电路,右边的输出引脚由原来的一个变为了两个互补的输出,可以输出一对互补的PWM波,这些电路是为了驱动三相无刷电机,因为三相无刷电机的驱动需要三个桥臂,每个桥臂2个大功率开关管来控制,总共需要6个大功率开关管来控制,所以输出的PWM引脚的前三路就变为互补的输出,另外为了防止互补输出的PWM驱动桥臂时,在开关切换的瞬间由于器件不理想造成短暂的直通现象,所以前面加上死区生成电路,在开关切换的瞬间产生一定时长的死区,让桥臂的上下管全都关断,防止直通现象。
最后是刹车输入的功能,在左下,是为了给电机驱动提供安全保障,如果外部引脚BKIN产生了刹车信号或者内部时钟失效,产生了故障,那么控制电路就会自动切断电机的输出,防止意外发生。

3、定时器原理

定时中断基本结构

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中断输出控制就是一个中断输出的允许位,如果需要某个中断,就允许一下。

预分频器时序

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CK_PSC是预分频器的输入时钟,选内部时钟时一般是72MHz,CNT_EN是计数器使能,高电平计数器正常运行,低电平计数器停止,CK_CNT是计数器时钟,即是预分频器时钟输出也是计数器的时钟输入,开始时计数器未使能,计数器时钟不运行,使能后,前半段预分频器系数从0变1,计数器的时钟等于预分频器前的时钟,后半段,预分频器系数从1变2,计数器的时钟也变为预分频器前时钟的一半,在计数器时钟的驱动下,下面的计数器寄存器也跟随时钟的上升沿不断自增,在中间FC之后计数值变为0,可推断重装值就是FC。
下三行描述的是预分频器的一种缓冲机制,在某时刻把预分配控制寄存器由0改1,如果在此时此刻改变时钟的分频系数,就会导致一个计数周期内前后频率不一样,所以设计预分配缓冲器,变化不会立刻生效,而是等本次计数周期结束后,产生了更新事件,预分频器的值才会被传递到缓冲寄存器里生效。最后一行描述预分配器内部实际上也是依靠计数来分频,当预分频值为0时,计数器就一直为0,直接输出原频率,当预分频值为1时,计数器0、1、0、1计数,在回到0时输出一个脉冲,这样输出频率就是输入频率的2分频,预分频的值和实际的分频系数之间有一个数的偏移。

计数器时序

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计数器在每个上升沿自增,当计到0036后,再来一个上升沿计数器清零,产生一个更新事件脉冲,另外更新中断标志位UIF只要置1就会申请中断,中断响应后需要在中断程序中手动清零。
计数器也有缓存寄存器,可以自己设置用还是不用,如下两图
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ARPE为0,不使用影子寄存器,自动加载寄存器FF改到36立刻生效,所以计到36后直接更新开始下一轮计数
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有预装时,F5变36,影子寄存器控制还是F5,计到F5产生更新事件,同时要更改的36才被传到影子寄存器,在下一个计数周期生效,所以引入影子寄存器是为了同步,让值的变化和更新事件同步发生,防止运行途中更改造成错误

RCC时钟树

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左边的时钟产生电路有四个震荡源,分别是内部的8MHz高速RC振荡器,外部的4到16MHz高速石英晶体振荡器,一般为8MHz,外部的32.768KHz低速晶振,一般给RTC提供时钟,最后是内部的40KHz低速RC振荡器,可以给看门狗提供时钟,上面两个高速晶振给系统提供时钟,AHB、APB1、APB2时钟都来源于这俩个高速晶振,外部的石英振荡器比内部RC振荡器更稳定。
在SystemInit函数里,ST首先启动内部时钟,以内部8MHz为系统时钟,然后再启动外部时钟,配置外部时钟进入PLL锁相环进行倍频,8MHz倍频9倍,得到72MHz,等锁相环输出稳定后选择锁相环输出为系统时钟。CSS是时钟安全系统,一旦外部时钟失效,自动把外部时钟切回内部时钟,保证系统时钟的运行,防止程序卡死,在高级定时器的刹车输入这里一旦CSS检测到外部时钟失效,通过或门立刻让输出控制的电机停止防止意外。
右图这些时钟输出都有一个与门进行输出控制,控制位写的是外部时钟使能,我们在程序中写RCC_APB2/1 PeriphClockCmd就是作用在这。

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