詳解單片機(jī)定時(shí)器工作原理

單片機(jī)定時(shí)器是一種用于計(jì)時(shí)和定時(shí)操作的功能模塊。它通常用于生成延時(shí)、計(jì)數(shù)事件以及產(chǎn)生精確的時(shí)間間隔信號(hào)。其工作原理可以從以下幾個(gè)方面來(lái)理解：

1. 基本結(jié)構(gòu)

計(jì)數(shù)器：定時(shí)器內(nèi)有一個(gè)計(jì)數(shù)器(通常是一個(gè)寄存器)，用于計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖。

時(shí)鐘源：定時(shí)器依賴于一個(gè)時(shí)鐘源，通常是系統(tǒng)時(shí)鐘，還可以是外部時(shí)鐘信號(hào)。

預(yù)分頻器：在某些單片機(jī)中，定時(shí)器可以有一個(gè)預(yù)分頻器，將系統(tǒng)時(shí)鐘頻率降低，以適應(yīng)所需的計(jì)時(shí)時(shí)間。

2. 計(jì)數(shù)方式

向上計(jì)數(shù)：定時(shí)器從0開(kāi)始向上計(jì)數(shù)，直到達(dá)到設(shè)定值(上限)。

向下計(jì)數(shù)：從一個(gè)設(shè)定的初始值向下計(jì)數(shù)到0。

雙向計(jì)數(shù)：有些定時(shí)器支持同時(shí)計(jì)數(shù)。

3. 啟動(dòng)與停止

用戶可以通過(guò)設(shè)置控制寄存器來(lái)啟動(dòng)或停止定時(shí)器的計(jì)數(shù)。定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)后，會(huì)根據(jù)設(shè)定的模式和值進(jìn)行運(yùn)行。

4. 溢出和中斷

當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定的最大值時(shí)，會(huì)發(fā)生溢出。此時(shí)，定時(shí)器可以產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，通知CPU定時(shí)器的工作狀態(tài)已完成。程序可以在中斷服務(wù)例程(ISR)中執(zhí)行某些操作。

有些定時(shí)器還支持比較模式，在指定的時(shí)間點(diǎn)生成輸出信號(hào)。

5. 精度

定時(shí)器的精度取決于系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率和預(yù)分頻設(shè)置。通過(guò)調(diào)整這些參數(shù)，可以在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)所需的時(shí)間間隔。

6. 應(yīng)用場(chǎng)景

產(chǎn)生延時(shí)：在需要等待一段時(shí)間的操作中。

計(jì)時(shí)功能：計(jì)數(shù)事件發(fā)生的次數(shù)，比如脈沖計(jì)數(shù)。

PWM(脈寬調(diào)制)：用于控制電機(jī)和調(diào)節(jié)亮度。

時(shí)間戳：記錄事件發(fā)生的精確時(shí)間。

定時(shí)器功能比較 ：

1)計(jì)數(shù)器三種計(jì)數(shù)模式

向上計(jì)數(shù)模式：從0開(kāi)始，計(jì)到arr預(yù)設(shè)值，產(chǎn)生溢出事件，返回重新計(jì)時(shí)

向下計(jì)數(shù)模式：從arr預(yù)設(shè)值開(kāi)始，計(jì)到0，產(chǎn)生溢出事件，返回重新計(jì)時(shí)

中央對(duì)齊模式：從0開(kāi)始向上計(jì)數(shù)，計(jì)到arr產(chǎn)生溢出事件，然后向下計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到1以后，又產(chǎn)生溢出，然后再?gòu)?開(kāi)始向上計(jì)數(shù)。(此種技術(shù)方法也可叫向上/向下計(jì)數(shù))

2)高級(jí)控制定時(shí)器(TIM1和TIM8)

兩個(gè)高級(jí)控制定時(shí)器(TIM1和TIM8)可以被看成是分配到6個(gè)通的三三相PWM發(fā)生器，它具有帶死區(qū)插入的互補(bǔ)PWM輸出，還可以被當(dāng)成完整的通用定時(shí)器。四個(gè)獨(dú)立的通道可以用于：

(1)輸入捕獲

(2)輸出比較

(3)產(chǎn)生PWM(邊緣或中心對(duì)齊模式)

(4)單脈沖輸出

配置為16位標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器時(shí)，它與TIMX定時(shí)器具有相同的功能。配置為16位PWM發(fā)生器時(shí)，它具有全調(diào)制能力(0~100%)。在調(diào)試模式下，計(jì)數(shù)器可以被凍結(jié)，同時(shí)PWM輸出被禁止，從而切斷由這些輸出所控制的開(kāi)關(guān)。很多功能都與標(biāo)準(zhǔn)的TIM定時(shí)器相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也相同，因此高級(jí)控制定時(shí)器可以通過(guò)定時(shí)器鏈接功能與TIM定時(shí)器協(xié)同操作，提供步或事件鏈接功能。

3)通用定時(shí)器(TlMx)

STM32F103XC、STM32F103XD和STM32F103XE增強(qiáng)型系列產(chǎn)品中，內(nèi)置了多達(dá)4 個(gè)可同步運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器(TIM2、TIM3、TIM4和TIM5)。每個(gè)定時(shí)器都有一個(gè)16位的自動(dòng)加載遞加/遞減計(jì)數(shù)器、一個(gè)16位的預(yù)分頻器和4個(gè)獨(dú)立的通道，每個(gè)通道都可用于輸入捕獲、輸出比較、PWM和單脈沖模式輸出，在最大的封裝配置中可提供最多16個(gè)輸入捕獲、輸出比較或PWM通道。它們還能通過(guò)定時(shí)器鏈接功能與高級(jí)控制定時(shí)器共同工作，提供同步或事件鏈接功能。在調(diào)試模式下，計(jì)數(shù)器可以被凍結(jié)。任一標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器都能用于產(chǎn)生：PWM輸出。每個(gè)定時(shí)器都有獨(dú)立的DMA請(qǐng)求機(jī)制。

這些定時(shí)器還能夠處理增量編碼器的信號(hào)，也能處理1至3個(gè)霍爾傳感器的數(shù)字輸出。

4)基本定時(shí)器-TlM6和TIM7

這2個(gè)定時(shí)器主要是用于產(chǎn)生：DAC觸發(fā)信號(hào)，也可當(dāng)成通用的16位時(shí)基計(jì)數(shù)器。獨(dú)立看門 狗獨(dú)立的看門狗是基于一個(gè)12位的遞減計(jì)數(shù)器和一個(gè)8位的預(yù)分頻器，它由一個(gè)內(nèi)部獨(dú)立的40kHz的RC振蕩器提供時(shí)鐘; 因?yàn)檫@個(gè)RC振蕩器獨(dú)立于主時(shí)鐘，所以它可運(yùn)行于停機(jī)和待機(jī)模式。它可以被當(dāng)成看門狗用于在發(fā)生問(wèn)題時(shí)復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)，或作為一個(gè)自由定時(shí)器為應(yīng)用程序提供超時(shí)管理。通過(guò)選項(xiàng)字節(jié)可以配置成是軟件或硬件啟動(dòng)看門狗。在調(diào)試模式下，計(jì)數(shù)器可以被凍結(jié)。

5)窗口看門狗

窗口看門狗內(nèi)有一個(gè)7位的遞減計(jì)數(shù)器，并可以設(shè)置成自由運(yùn)行。它可以被當(dāng)成看門狗用于在發(fā)生問(wèn)題時(shí)復(fù)位整個(gè)系統(tǒng)。它由主時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，具有早期預(yù)警中斷功能; 在調(diào)試模式下，計(jì)數(shù)器可以被凍結(jié)。

6)系統(tǒng)時(shí)基定時(shí)器

這個(gè)定時(shí)器是專用于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，也可當(dāng)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的遞減計(jì)數(shù)器。它具有下述特性：

(1)24位的遞減計(jì)數(shù)器

(2)自動(dòng)重加載功能

(3)當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)能產(chǎn)生一個(gè)可屏蔽系統(tǒng)中斷

(4)可編程時(shí)鐘源

7)通用定時(shí)器的時(shí)鐘來(lái)源;

a：內(nèi)部時(shí)鐘(CK_INT)

b：外部時(shí)鐘模式1：外部輸入腳(TIx)

c：外部時(shí)鐘模式2：外部觸發(fā)輸入(ETR)

d：內(nèi)部觸發(fā)輸入(ITRx)：使用一個(gè)定時(shí)器作為另一個(gè)定時(shí)器的預(yù)分頻器

8)通用定時(shí)期內(nèi)部時(shí)鐘的產(chǎn)生：

從截圖可以看到通用定時(shí)器(TIM2-7)的時(shí)鐘不是直接來(lái)自APB1，而是通過(guò)APB1的預(yù)分頻器以后才到達(dá)定時(shí)器模塊。

當(dāng)APB1的預(yù)分頻器系數(shù)為1時(shí)，這個(gè)倍頻器就不起作用了，定時(shí)器的時(shí)鐘頻率等于APB1的頻率;

當(dāng)APB1的預(yù)分頻系數(shù)為其它數(shù)值(即預(yù)分頻系數(shù)為2、4、8或16)時(shí)，這個(gè)倍頻器起作用，定時(shí)器的時(shí)鐘頻率等于APB1時(shí)鐘頻率的兩倍。

這里要分析一下幾個(gè)概念，也是理解定時(shí)器的功能的核心概念，通用定時(shí)器有些類似于操作系統(tǒng)的定時(shí)器節(jié)拍，可以在定時(shí)器采用的時(shí)鐘源的基礎(chǔ)上再進(jìn)行分頻，然后再設(shè)定溢出大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定時(shí)的功能，當(dāng)然自動(dòng)重載功能更不再話下。

預(yù)分頻的功能是使定時(shí)器在APB時(shí)鐘的基礎(chǔ)上再一次分頻，使其獨(dú)立的運(yùn)行。就像上述代碼中舉例，預(yù)分頻系數(shù)設(shè)定為36000-1，則表示該定時(shí)器的 時(shí)鐘頻率就變成了72MHz/36000 = 2KHz，而“計(jì)數(shù)溢出大小”可以理解為自動(dòng)裝載數(shù)值，表示每隔x個(gè)計(jì)數(shù)溢出一次，可以產(chǎn)生1次中斷，當(dāng)然這個(gè)頻率是經(jīng)過(guò)預(yù)分頻后的頻率。

所以從上述的分析可知，定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間計(jì)算為：

Tout = (TIM_Period+1)*(TIM_Prescaler+1)/72000000

在本程序案例中：Tout= 2000*36000/72000000=1s

需要注意的是，公式中的72000000的使用，是因?yàn)樵摱〞r(shí)器采用的時(shí)鐘源為72MHz，如果配置成別的時(shí)鐘源，則相應(yīng)公式也應(yīng)該改變。

另外TIM_ClockDivision為時(shí)鐘分割，這個(gè)簡(jiǎn)單的講，就是定時(shí)器的數(shù)字濾波功能，設(shè)置成默認(rèn)即可。

綜上所述，單片機(jī)定時(shí)器是基于一個(gè)計(jì)數(shù)器和時(shí)鐘源運(yùn)作的模塊，通過(guò)設(shè)置寄存器和控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制和事件計(jì)數(shù)。其廣泛應(yīng)用于各種實(shí)時(shí)控制和計(jì)時(shí)需求的場(chǎng)景中。