浅谈定时器基础知识与PWM输出原理

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威廉希尔官方网站 （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威廉希尔官方网站 （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 的同步威廉希尔官方网站

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 1，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_CNT《TIMx_CCR1，通道 1 便为有效状态，否则为无效状态。在递减计数模式下，只要 TIMx_CNT》TIMx_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_CNT《TIMx_CCR1，通道 1 便为无效状态，否则为有效状态。在递减计数模式下，只要 TIMx_CNT》TIMx_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; //GPIOA6GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; /*复用功能*/GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHzGPIO_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《TIMx_CCR1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《TIMx_CCR1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*/TIM_Cmd（TIM3， ENABLE）; /*使能TIM3：使能控制寄存器CR的第0位：CEN， counter enable*/

关于配置CCMR1、CCER寄存器

CCMR1：

CCER：

TIM_OC1Init函数对应于输入通道的初始化，其实就是操作CCMR1、CCER等寄存器：

void TIM_OC1Init（TIM_TypeDef* TIMx， TIM_OCInitTypeDef* TIM_OCInitStruct）{ uint16_t tmpccmrx = 0， tmpccer = 0， tmpcr2 = 0; TIMx-》CCER &= （uint16_t）~TIM_CCER_CC1E;/* 关闭通道1： 复位CC1E位 */ tmpccer = TIMx-》CCER;/* 获取 TIMx CCER 寄存器的值 */ tmpcr2 = TIMx-》CR2; /* 获取 TIMx CR2 寄存器的值 */

tmpccmrx = TIMx-》CCMR1;/* 获取TIMx CCMR1 寄存器的值 */ tmpccmrx &= （uint16_t）~TIM_CCMR1_OC1M; /* 复位输出比较模式OC1M位 */ tmpccmrx &= （uint16_t）~TIM_CCMR1_CC1S; tmpccmrx |= TIM_OCInitStruct-》TIM_OCMode;/* 设置为输出比较模式 */ tmpccer &= （uint16_t）~TIM_CCER_CC1P; /* 复位输出极性CC1P */ tmpccer |= TIM_OCInitStruct-》TIM_OCPolarity; /* 设置输出极性 */ tmpccer |= TIM_OCInitStruct-》TIM_OutputState; /* 设置输出状态 */ if（（TIMx == TIM1） || （TIMx == TIM8）） /*高级定时器的特殊配置*/ { //省略。。。 } TIMx-》CR2 = tmpcr2; /* 写数据到TIMx的CR2寄存器 */ TIMx-》CCMR1 = tmpccmrx; /* 写数据到TIMx的CCMR1寄存器 */ TIMx-》CCR1 = TIM_OCInitStruct-》TIM_Pulse;/* 设置CCR1寄存器 */ TIMx-》CCER = tmpccer; /* 写数据到TIMx的CCER寄存器 */}

4.2 动态改变占空比

占空比是通过修改CCR寄存器的值进行修改的，如果定时器初始化时只设置了1次CCR的值，那么会输出恒定占空比的PWM波；如果在定时器运行的时候，动态修改CCR的值，则可以实现PWM占空比的动态调整。

如下程序，实现了每隔10ms对占空比进行一次修改，每次将高电平计数值增加5，当增大道500（占空比100%）时，再逐渐减小到0（占空比0%），不断循环。

u16 led0pwmval=0; u8 dir=1;TIM3_PWM_Init（500-1，84-1）; //84M/84=1Mhz的计数频率，重装载值500，所以PWM频率为 1M/500=2Khz. while（1） //实现比较值从0-500递增，到500后从500-0递减，循环{ delay_ms（10）;

if（dir） { led0pwmval+=5; //dir==1 led0pwmval递增 } else { led0pwmval-=5; //dir==0 led0pwmval递减 } if（led0pwmval》500） { dir=0; //led0pwmval到达500后，方向为递减 } if（led0pwmval==0） { dir=1; //led0pwmval递减到0后，方向改为递增 }

TIM_SetCompare1（TIM3，led0pwmval）; /*CCR 修改比较值（占空比）*/}

5 测试效果

将程序下载到板子，我用的一块STM32F407的板，A6引脚上接了一个LED灯，实际效果的LED逐渐变亮，再逐渐变暗，依次循环。

再通过逻辑分析仪来查看实际的输出波形，如下图，测得的pwm周期0.5ms（频率2kHz），与软件中设定的一致。

在某一时刻，脉宽55us。

在另一时刻，脉宽0.365ms，即实现了PWM脉宽的动态调整。

编辑：jq