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2020-08-23

定时器

# 定时器工作参数

# 定时器的三个寄存器

  • TIMx_PSC

    名称 预分频寄存器
    作用 将时钟信号预分频，分频后的频率为定时器自增的频率
    记录的值 预分频的比值 减一：0

    例如时钟输入的频率为600 Hz，当预分频的设置的值为 100:1时，定时器自增的频率就是6 Hz

    为什么形式是预分频的比值减一:0呢，因为其内部的值是从0开始的，上面的100:1储存的就是99:0

  • TIMx_CNT

    名称 计数寄存器
    作用 按照预分频后的频率自增
    记录的值 自增的次数（到设定值后清空）

  • TIMx_ARR

    名称 自动重装载寄存器
    作用 记录重装载值，计数器达到此值后自动清空
    记录的值 重装载值 减一

    为什么形式是重装载值减一呢，也是因为其内部的值是从0开始的

# 定时器的工作

由上面的三个寄存器可以知道：寄存器的工作就是按照一定的频率自增，增加到一定值时清空，然后再自增... ...

在清空计数值的同时，会触发一次定时器中断，即定时器更新中断。只要设定好定时器的重载值，就可以保证定时器中断以固定的频率被触发

# 定时器的中断频率计算

符号 意义
需要的中断频率
原始的总线给定时器输入的频率
预分频后定时器的自增频率
TIMx_PSC 内存储的值（比例减一）
TIMx_ARR 内存储的值（重装载值减一 ）

如果用预分频后的频率来表示中断频率，则是：

但是使用原始的总线输入频率则为：

简单记就是：

中断频率总线时钟频率预分频比值重装载值

警告

在配置参数的时候，预分频值与重装载值一定要记得写为减一的形式，避免发生错误

# 中断优先级

为了在有限的寄存器位数中实现更加丰富的中断优先级，NVIC使用了中断分组机制。STM32将先将中断进行分组，然后又将优先级划分为抢占优先级 (Prem priority) 和响应优先级 (Subpriority)，抢占优先级和响应优先级的数量均可以通过 NVIC 中 AIRCR 寄存器的 PRIGROUP[8:10] 位进行配置，从而规定了两种优先级对 NVIC_IPRx[7:4] 的划分，根据划分决定两种优先级的数量。

# NVIC 优先级组

在 NVIC_IPRx[7:4] 这4个比特的位置，总共可以有16种中断的配置。但是哪几位决定抢占优先级，哪几位决定响应优先级呢？我们可以根据这四个比特的分配方式将优先级祖分为五种情况，当然，只能使用一组来对工程中的中断们进行优先级划分：

  • 第 0 组：所有 4 位用来配置响应优先级。即16 种中断向量具有都不相同的响应优先级
  • 第 1 组：最高 1 位用来配置抢占优先级，低 3 位用来配置响应优先级。表示有 2 种级别的抢占优先级（0 级，1 级），有 8 种响应优先级，即在16 种中断向量之中，有 8 种中断，其抢占优先级都为 0 级，而它们的响应优先级分别为0~7，其余 8 种中断向量的抢占优先级则都为 1 级，响应优先级别分别为0~7
  • 第 2 组：2 位用来配置抢占优先级，2 位用来配置响应优先级。即4 种抢占优先级，4 种响应优先级
  • 第 3 组：高 3 位用来配置抢占优先级，最低 1 位用来配置响应优先级。即有8 种抢占优先级，2 种响应优先级
  • 第 4 组：所有 4 位用来配置抢占优先级，即NVIC 配置的16 种中断向量都是只有抢占属性，没有响应属性

# 抢占与响应优先级

可以举这样一个例子来说明二者的工作方式，有这样三个中断 A, B, C：

中断向量 抢占优先级 响应优先级
A 0 0
B 1 0
C 1 1

当中断 C 正在执行的时候，它能被抢占优先级更高的中断 A 打断，由于 B 和 C 的抢占优先级相同，所以 C 不能被 B 打断。但如果 B 和 C 中断是同时到达的，内核就会首先响应响应优先级别更高的 B 中断

注意

NVIC 能配置的是16 种中断向量，而不是16 个，当工程中有超过 16 个中断向量时，必然有两个以上的中断向量是使用相同的中断种类，而具有相同中断种类的中断向量不能互相嵌套

# 定时器闪烁LED实践配置

# CubeMX

对于 GPIO 的配置不必多说了，对于定时器的配置如下：

首先需要对一个定时器使能，转到 TIM 栏选择一个定时器并将其 Clock Souce改为 Internal Clock：

随后需要对定时器的中断周期进行配置，在时钟树中发现控制着 TIM1 的 AHB2 总线的定时器频率为 168 MHz：
根据刚刚学会的计算方法：

可以得出 TIM1_RSC 的预分频倍数与 TIM1_ARR 的重装载数，随后回到定时器配置页面输入这两个值：

最后则要进入 NVIC 页面，将 `TIM1 update interrupt`这个中断允许进行，将 Enable 处打勾即可，也可以在这个页面上对这个中断的分组以及两个优先级进行调整，这里由于只有一个中断所以保持默认：
随后生成代码。

# 工程代码

在生成的工程代码中的stm32f4xx_it.c中，有一个 CubeMX 为我们生成的中断处理函数

void TIM1_UP_TIM10_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN TIM1_UP_TIM10_IRQn 0 */

  /* USER CODE END TIM1_UP_TIM10_IRQn 0 */
  HAL_TIM_IRQHandler(&htim1);
  /* USER CODE BEGIN TIM1_UP_TIM10_IRQn 1 */

  /* USER CODE END TIM1_UP_TIM10_IRQn 1 */
}
1
2
3
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5
6
7
8
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10

它调用了一个名为HAL_TIM_IRQHandler的函数，这个函数是 HAL 库要对涉及中断的寄存器处理的函数

void HAL_TIM_IRQHandler(TIM_HandleTypeDef *htim)
1
函数名 HAL_TIM_IRQHandler
函数作用 HAL对涉及（定时器）中断的寄存器进行处理
返回值 void
参数 *htim 定时器的句柄指针，如定时器1就输入&htim1，定时器2就输入&htim2

在这个函数对寄存器进行配置之后，程序将会自动调用中断回调函数

_weak void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
1

和上面一样，它的参数也是定时器的句柄指针，我们在main.c中就是需要重新将中断的内容写入这个函数。但是在执行中断操作之前，一般要确定一下，中断信号来源是否正确。做一个来源的判断即可

注意

但是还是缺一点！还是有关键的两个函数：HAL_TIM_Base_Start()与HAL_TIM_Base_Start_IT()

HAL_TIM_Base_Start()是仅仅将定时器开启，HAL_TIM_Base_Start_IT()是将定时器开启且允许中断。而HAL_TIM_Base_Start()，所以为了使能中断，还需要再main函数中使用HAL_TIM_Base_Start_IT()来开启中断

它的参数也是定时器的句柄指针，所以填入&htim1对 TIM1 中断使能即可

详细的两个函数用法请查看此处

但是，请注意：这两个函数一定不要放在这些函数的前面！

MX_GPIO_Init();
MX_TIMx_Init();
1
2

看了这些函数的名字就知道了，开启和使能定时器一定要在系统定时器初始化之后，不然会报错的

最后的main.c是这个样子的 (opens new window)

# 程序流程

# 定时器的编码器模式

# 编码器信号

主要是电机等的编码器输出的正交的两个信号A相与B相的信号。编码器每转动固定的位移，就会产生一个脉冲信号通过读取单位时间脉冲信号的数量，便可以达到测速的效果 (），通过对脉冲信号的累加，和编码器的码盘的周长 (转一圈对应距离) 便可以达到计算行走距离的效果 ()

# 信号参数

  • A 脉冲输出

  • B 脉冲输出

  • Z 零点信号

    当编码器旋转到零点时，Z 信号会发出一个脉冲表示现在是零位置 表示编码器转了 1 圈，可用来记录编码器转了多少圈，从而知道运行距离

  • VCC 电源线

  • GND 地线

  • 编码器线数

    编码器的线数 ,是说编码器转一圈输出多少个脉冲，如果一个编码器是500线，说明这个编码器转一圈对应的信号线会输出500个脉冲, A B两相转一圈发出的脉冲数是一样的，不过存在90°相位差 。且线数越高代表能够反映的位置精度越高

# 编码器模式计数原理

tim_mode

这张图几乎就是所有了，但是不是很好看懂，所以接下来我们来解释一下这张图：

大体上编码器模式是三种模式：

  • 仅在 TL1 计数（A 相）
  • 仅在 TL2 计数（B 相）
  • 在 TL1 与 TL2 均计数（A，B 相均计数）

从第二列开始后面的要一行一行的看。具体怎么读这个图呢？以第一行为例：

由于仅在 TL1 计数，所以“高”代表的是 B 相（TL2）为高电平时，此时如果 A 相（TL1）为上升沿，则代表电机在反转，所以此时为向下计数；如果此时A 相（TL1）为下降沿，则代表电机在正转，所以此时为向上计数

向上计数与向下计数

如果我们设置的默认计数模式为UP，则默认模式下的向上计数为从 0 开始向上数数

向下计数则是从目前值值开始向下计数，当目前值为 0 时，则将会从自动重载值开始向下计数

所以“仅在 TL1 计数”这个模式下的所有情况（四种）即为：

tl1_mode

  • TI2(B相)为高电平时：

    • 1时刻：TL1(A相)下降沿， 则向上计数(正转)
    • 2时刻：TL1(A相)上升沿， 则向下计数(反转)

  • TI2(B相)为低电平时：

    • 3时刻：TL1(A相)上升沿， 则向上计数(正转)
    • 4时刻：TL1(A相)下降沿， 则向下计数(反转)

且对于两个相均计数的模式下，一行实际上对应的是分别以 TL1、TL2 为主信号的两种情况。且主信号为谁就只看谁的那两列

例如：假定主信号就是 TL1，所以对应的相对信号是 TL2，那 TL2 的电平状态通过第二列确定后，肯定就要看 TL1 的上升下降沿来判断状态了！

# 硬件实现的效果

code_mode

通过以上解释的原理，我们的编码器模式实现的效果如下，就是可以过滤一些由于噪声引起的毛刺信号，不被计入编码器计数值中

# 注意事项

  • 需要增加测量的精度时，可以采用4倍频方式，即分别在A、B相波形的上升沿和下降沿计数，分辨率可以提高4倍
  • 如果只是测速，不要求方向，那么只需要用单片机随意选择一个信号线就行了，然后定时器边沿触发，检测脉冲计数即可
  • 一般是定时器的通道1和2才能作为编码器输入口，对应编码器输出的两相
  • GPIO配置为配置为上拉输入模式
  • 可以使用强制类型转化为 short 类型将纯向下计数变为负值以表示反转（当然，是当自动重载值为65535时）

# 参考

[1] Robomaster 开发板 C 型教程

[2] 野火《零死角玩转 STM32》

[3] 定时器---正交解码编码器模式详解 (opens new window)

[4] 定时器编码器模式读取脉冲数据 (opens new window)

编辑 (opens new window)
上次更新: 2020/11/18, 13:11:00
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