超乎你想象的Stm32中的 TIM 定时器（提高篇）
2020-09-23 14:12:43 #STM32 #舵机

注：本文属博主学习时所作笔记，内容源大参考于野火的《零死角玩转STM32F103》以及部分网络资料，笔记内容仅作为自己参考，免去频繁查询参考手册的麻烦，如有错误，还请指出！

高级定时器(STM32F1 系列中为 TIM1 和 TIM8)和通用定时器在基本定时器的基础上引入了外部引脚，可以实现输入捕获和输出比较功能。高级定时器比通用定时器增加了可编程死区互补输出、重复计数器、带刹车(断路)功能，这些功能都是针对电机控制方面。

高级控制定时器框图

由于TIM高级定时器结构复杂，功能众多，可以直接看野火的开发书籍，不做过多详述，文章主要侧重几个常用实验，并在代码中层层递进。

PWM 信号输出控制 SG90 舵机

该例程将通过将使用 STM32 输出 PWM 信号，控制 SG90 舵机进行转动，使用的是 TIM3 的通道1 为 PA6 口，舵机接线如下：

SG90 舵机实物图

控制原理及 PWM 配置

伺服电机通常被称为舵机，它是一种带有输出轴的小装置。当我们向伺服器发送一个控制信号时，输出轴就可以转到特定的位置。只要控制信号持续不变，伺服机构就会保持轴的角度位置不改变。如果控制信号发生变化，输出轴的位置也会相应发生变化。

舵机的内部结构如上图所示。你可以看到控制电路，马达，一组齿轮和外壳。

舵机的内部结构

舵机内部的控制电路，电位计（可变电阻器）和电机均被连接到电路板上，如内部结构图的右边部分。控制电路通过电位计可监控舵机的当前角度。

如果轴的位置与控制信号相符，那么电机就会关闭。如果控制电路发现这个角度不正确，它就会控制马达转动，直到它达到指定的角度。舵机角度根据制造商的不同而有所不同。比如，一个180度的舵机，它可以在0度至180度之间运动。由于限位装置被安装在主输出装置上，超出这个范围机械结构就不能再转动了。

舵机的输出功率与它所需要转动的距离成正比。如果输出轴需要转动很长的距离，马达就会全速运转，如果它只需要短距离转动，马达就会以较慢的速度运行，这叫做速度比例控制。

舵机的控制一般需要一个 20ms 的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为 0.5ms~2.5ms 范围内的角度控制脉冲部分。

舵机的运动原理

控制线用于传输角度控制信号。这个角度是由控制信号脉冲的持续时间决定的，这叫做脉冲编码调制（PCM）。舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为 0.5ms-2.5ms 范围，总间隔为 2ms。脉冲的宽度将决定马达转动的距离。例如：1.5毫秒的脉冲，电机将转向90度的位置（通常称为中立位置，对于180°舵机来说，就是90°位置）。如果脉冲宽度小于1.5毫秒，那么电机轴向朝向0度方向。如果脉冲宽度大于1.5毫秒，轴向就朝向180度方向。

伺服电机时序图

综上，设置PWM周期为20ms = (7200*200)/72000000=0.02，所以TIM_Period = 199，TIM_Prescaler = 7199。

以180度舵机 SG90 为例，对应的控制关系是这样的：

脉冲宽度 转动角度 设置占空比
0.5 ms 0° 175
1.0 ms 45° 180
1.5 ms 90° 185
2.0 ms 135° 190
2.5 ms 180° 195

STM32工程目录

很久不接触 STM32 工程，文件结构差点乱了，这里贴个目录树：

├─Doc
│ readme.txt
│
├─Libraries
│ ├─CMSIS
│ │ └─startup
│ │
│ └─FWlib
│ ├─inc
│ └─src
│
├─Listing
│
├─Output
│
├─Project
│ └─RVMDK（uv5）
│ └─DebugConfig
│
└─User
│ main.c
│ stm32f10x_conf.h
│ stm32f10x_it.c
│ stm32f10x_it.h
│
├─PWM
│ bsp_pwm.c
│ bsp_pwm.h
│
└─SysTick
bsp_SysTick.c
bsp_SysTick.h

参考代码

bsp_pwm.h

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#ifndef  _BSP_PWM_H_
#define  _BSP_PWM_H_

#include "stm32f10x.h"
// 这里使用 TIM3
#define            GENERAL_TIM                   TIM3
#define            GENERAL_TIM_APBxClock_FUN     RCC_APB1PeriphClockCmd
#define            GENERAL_TIM_CLK               RCC_APB1Periph_TIM3
#define            GENERAL_TIM_Period            199
#define            GENERAL_TIM_Prescaler         7199
// TIM3 输出比较通道
#define            GENERAL_TIM_CH1_GPIO_CLK      RCC_APB2Periph_GPIOA
#define            GENERAL_TIM_CH1_PORT          GPIOA
#define            GENERAL_TIM_CH1_PIN           GPIO_Pin_6

void GENERAL_TIM_Init(void);

#endif

bsp_pwm.c

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#include "bsp_pwm.h"   

static void GENERAL_TIM_GPIO_Config(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // 输出比较通道1 GPIO 初始化
    RCC_APB2PeriphClockCmd(GENERAL_TIM_CH1_GPIO_CLK, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GENERAL_TIM_CH1_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GENERAL_TIM_CH1_PORT, &GPIO_InitStructure);
}


static void GENERAL_TIM_Mode_Config(void)
{
	
  // 开启定时器时钟,即内部时钟CK_INT=72M
	GENERAL_TIM_APBxClock_FUN(GENERAL_TIM_CLK,ENABLE);

/*--------------------时基结构体初始化-------------------------*/

	
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
	
	// 自动重装载寄存器的值，累计TIM_Period+1个频率后产生一个更新或者中断
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = GENERAL_TIM_Period;	
	
	// 驱动CNT计数器的时钟 = Fck_int/(psc+1)
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = GENERAL_TIM_Prescaler;
	
	// 时钟分频因子 ，配置死区时间时需要用到
	// TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;	
	
	// 计数器计数模式，设置为向上计数
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
	
	// 重复计数器的值，没用到不用管
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;
	
	// 初始化定时器
	TIM_TimeBaseInit(GENERAL_TIM, &TIM_TimeBaseStructure);

	/*--------------------输出比较结构体初始化-------------------*/	
	// 占空比配置
	// uint16_t CCR_Val = 100;

	
	TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
	
	// 配置为PWM模式1
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
	
	// 输出使能
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
	
	// 输出通道电平极性配置	
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;
	
	// 输出比较通道 1
	//TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = CCR_Val;
	
	TIM_OC1Init(GENERAL_TIM, &TIM_OCInitStructure);
	
	TIM_OC1PreloadConfig(GENERAL_TIM, TIM_OCPreload_Enable);

	// 使能计数器
	TIM_Cmd(GENERAL_TIM, ENABLE);
}


void GENERAL_TIM_Init(void)
{
	GENERAL_TIM_GPIO_Config();
	GENERAL_TIM_Mode_Config();		
}

main.c

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#include "stm32f10x.h"
#include "bsp_pwm.h"
#include "bsp_SysTick.h"


/**
  * @brief  主函数
  * @param  无  
  * @retval 无
  */
int main(void)
{	
	/* 定时器初始化 */
	GENERAL_TIM_Init();
	
	/* 配置SysTick 为10us中断一次 */
	SysTick_Init();
 
	while(1)
	{
		SysTick_Delay_Ms( 1000 );
		TIM_SetCompare1(TIM3, 175);			// 0°
		SysTick_Delay_Ms( 1000 );
		TIM_SetCompare1(TIM3, 180);			// 45°
		SysTick_Delay_Ms( 1000 );
		TIM_SetCompare1(TIM3, 185);			// 90°
		SysTick_Delay_Ms( 1000 );
		TIM_SetCompare1(TIM3, 190);			// 135°
		SysTick_Delay_Ms( 1000 );
		TIM_SetCompare1(TIM3, 195);			// 180°
		SysTick_Delay_Ms( 1000 );
	}

}

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