定时器及其简单使用

定时器及其简单使用

文章目录

  • 定时器及其简单使用
  • ARM32单片机定时器
  • 定时器原理
    • 系统主频与定时时间的关系
    • 定时器计时上限
    • 预分频器
  • 基于定时器应用配置
    • Timer.c
    • PSC、CAR减1原因
  • PWM
    • 什么是PWM?
    • 如何生成PWM？
    • PWM输出使用
    • PWM模式有效电平
    • 定时器可以输出几个通道的PWM？
  • 输入捕获
    • 输入捕获应用
  • 红外NEC
    • 红外NEC通信协议
    • 红外遥控软件实现

ARM32单片机定时器

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根据功能和用途的不同，GD32F303芯片的定时器可以分为以下几类：

  • 内核定时器：用于提供系统tick计数，是系统延时和任务调度的基础。
  • SysTick定时器：SysTick定时器是Cortex-M内核自带的定时器，用于提供系统tick计数，是系统延时和任务调度的基础。
  • 基本定时器：功能相对简单，主要用于产生PWM波形、捕获外部信号等。
  • 常规定时器：功能与基本定时器类似，但具有更丰富的配置选项，如支持多路PWM输出、输入捕获等。
  • 通用定时器：功能更加强大，支持多种工作模式，如PWM输出、输入捕获、脉冲计数、DMA传输等。
  • 高级定时器：具有更强的定时精度和控制能力，支持多路PWM输出、输入捕获、脉冲计数、DMA传输等。
  • 独立看门狗：用于检测系统是否正常运行，如果系统发生故障，看门狗会复位芯片。
  • 专用定时器：用于特定功能，如I2C、SPI、USART等通信接口的定时。
  • 窗口看门狗：与独立看门狗类似，但具有更灵活的配置选项，如可以设置看门狗窗口范围等。
  • RTC实时时钟：用于提供精确的时间信息，即使芯片掉电后也能保持时间准确。

定时器应用场景
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GD32F303定时器资源概述
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定时器原理

定时器本质上是一个电子计数器，当输入端输入3个周期的数字脉冲信号后，计数值将增加3，如果我们知道这个信号的周期T=1s，那么也就表示时间t已经过去了3s。
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系统主频与定时时间的关系

如果输入的信号就是系统主频120Mhz信号，周期T=（1/120）us，从0开始计数，假如记录到120时，对应过去了时间t为：
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定时器计时上限

CAR寄存器是用于设置（NT计时上限的，比如将（AR设置成12000，（NT从0开始向上计数，当（NT=12000时，（NT将被系统清零。同时，系统可以产生一个定时中断：
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预分频器

PSC是预分频器，可以灵活调整进入计数器的时钟频率，比如PS（设置为120后，那么实际进入CNT的信号周期也变成了1us,然后再把CAR设置成100，此时定时中断的周期依然是100us,所以PS（可以从硬件层面，节定时周期的长短，非常灵活·
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高级定时器硬件结构
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  1. 时钟源
  • CK_INT：内部时钟，频率为系统时钟的2倍
  • ETR：外部触发输入，可以是外部脉冲信号或定时器1的输出
  • ITRx：内部触发输入，可以是其他定时器的输出
  1. 预分频器
  • PSC：预分频系数，可以为1-65536
  1. 计数器
  • CNT：16位计数器，可以向上计数或向下计数
  1. 自动重载寄存器
  • ARR：自动重载寄存器，当计数器值等于ARR时，计数器会自动重载
  1. 比较寄存器
  • CCR1-CCR4：4个比较寄存器，当计数器值等于CCR1-CCR4时，会产生一个比较事件
  1. 输出控制寄存器
  • CCER：输出控制寄存器，用于控制输出模式、输出极性等
  1. DMA请求寄存器
  • DMAR：DMA请求寄存器，用于请求DMA传输
  1. 中断寄存器
  • SR：状态寄存器，用于指示中断标志
  • IER：中断使能寄存器，用于使能中断
  • CCR1-CCR4：比较寄存器，当计数器值等于CCR1-CCR4时，会产生一个中断
    工作模式
    高级定时器支持多种工作模式，如：
  • PWM模式：产生PWM波形
  • 输入捕获模式：捕获外部信号
  • 脉冲计数模式：计数脉冲信号
  • DMA传输模式：通过DMA传输数据
    配置步骤
    要配置高级定时器，需要按照以下步骤进行：
    1.选择定时器
    2.选择工作模式
    3.配置时钟源
    4.配置预分频系数
    5.配置计数器
    6.配置比较寄存器
    7.配置输出控制寄存器
    8.配置中断

基于定时器应用配置

设计一个1ms的定时中断，基于定时器0，如何配置？

Timer.c

#if 0
static void TimerInit(uint32_t periodUs)
{
    /* 使能定时器时钟；*/
    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER0);
    /* 复位定时器；*/
    timer_deinit(TIMER0);
    
    timer_parameter_struct timerInitPara;
    timer_struct_para_init(&timerInitPara);
    /* 设置预分频器值；*/
    timerInitPara.prescaler = 120 - 1;     // 输入给计数器的时钟频率为1Mhz，周期1us
    /* 设置自动重装载值；*/ 
    timerInitPara.period = periodUs - 1;
    timer_init(TIMER0, &timerInitPara);
    
    /* 使能定时器的计数更新中断；*/
    timer_interrupt_enable(TIMER0, TIMER_INT_UP);
    /* 使能定时器中断和优先级；*/
    nvic_irq_enable(TIMER0_UP_IRQn, 0, 0);
    /* 使能定时器；*/ 
    timer_enable(TIMER0);
}

void TIMER0_UP_IRQHandler(void)
{
    if (timer_interrupt_flag_get(TIMER0, TIMER_INT_FLAG_UP) == SET)
    {
        timer_interrupt_flag_clear(TIMER0, TIMER_INT_FLAG_UP);
        ToggleLed(LED1);
    }
}
#else
static void TimerInit(uint32_t periodUs)
{
    /* 使能定时器时钟；*/
    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER4);
    /* 复位定时器；*/
    timer_deinit(TIMER4);
    
    timer_parameter_struct timerInitPara;
    timer_struct_para_init(&timerInitPara);
    /* 设置预分频器值；*/
    timerInitPara.prescaler = 120 - 1;     // 输入给计数器的时钟频率为1Mhz，周期1us
    /* 设置自动重装载值；*/ 
    timerInitPara.period = periodUs - 1;
    timer_init(TIMER4, &timerInitPara);
    
    /* 使能定时器的计数更新中断；*/
    timer_interrupt_enable(TIMER4, TIMER_INT_UP);
    /* 使能定时器中断和优先级；*/
    nvic_irq_enable(TIMER4_IRQn, 0, 0);
    /* 使能定时器；*/ 
    timer_enable(TIMER4);
}

void TIMER4_IRQHandler(void)
{
    if (timer_interrupt_flag_get(TIMER4, TIMER_INT_FLAG_UP) == SET)
    {
        timer_interrupt_flag_clear(TIMER4, TIMER_INT_FLAG_UP);
        ToggleLed(LED1);
    }
}
#endif

1.TimerInit 函数：

  • 首先，通过 rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER4) 使能了定时器4的时钟，确保定时器可以正常工作。
  • 然后，通过 timer_deinit(TIMER4) 将定时器4进行了复位，以确保其处于初始状态。
  • 之后，定义了一个结构体 timer_parameter_struct timerInitPara 用于配置定时器的参数，并通过 timer_struct_para_init(&timerInitPara) 将该结构体初始化为默认值。
  • 接着，设置了预分频器的值为 120 - 1，这表示定时器的时钟频率为输入给计数器的时钟频率为1MHz，即周期为1微秒。
  • 设置了自动重载值为 periodUs - 1，其中 periodUs 是作为参数传入的定时器的周期值（单位为微秒）。
  • 最后，通过 timer_init(TIMER4, &timerInitPara) 对定时器进行初始化配置，使其按照指定的参数进行工作。
  • 使能了定时器的计数更新中断和相应的中断向量 TIMER4_IRQn，并设置了中断的优先级。
  • 最后，通过 timer_enable(TIMER4) 使能了定时器，使其开始计数。
    2.TIMER4_IRQHandler函数：
  • 这是定时器4的中断处理函数，当定时器4的计数更新中断触发时，该函数将被调用。
  • 在函数内部，首先通过 timer_interrupt_flag_get(TIMER4, TIMER_INT_FLAG_UP) 判断是否是计数更新中断触发，如果是则执行下一步。
  • 使用 timer_interrupt_flag_clear(TIMER4, TIMER_INT_FLAG_UP) 清除定时器4的计数更新中断标志位。
  • 调用 ToggleLed(LED1) 函数，这个函数可能是用来控制 LED1 灯的状态，可能是将其切换为开或关状态。

PSC、CAR减1原因

在实际编程时，并不是把PSC设置成120，CAR设置成1000，而是把PSC设置成(120-1)，得到1us的时钟周期，再把CAR设置成(1000-1)才行，为什么都需要-1呢？
先看CAR的设置，因为计数器需要实现0-1000循环计数，而当计数来到999后，再来一个机器周期CNT会变成0，也就是说第1000个周期实际是999变0,而不是999变1000,所以当我们需要1000个计数周期循环计数时,需要设置到999。
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计数模式
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PWM

什么是PWM?

PWM, Pulse width modulation，脉冲宽度调制，通过调节PWM的脉冲宽度进而调节功率。PWM的周期T,脉宽W,占空比D=W/T,假设W是负载的有效工作时间，在一个工作周期T内, W越长也就相当于对负载输出的功率越大，也就是说D越大，输出功率越大。
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定时器输入捕获和输出比较资源概述

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如何生成PWM？

相较于计时功能，除了CAR自动重装载寄存器，输出比较模式还要用到CHxCV寄存器。它是输入捕获和输出比较寄存器，是一个可以复用的寄存器。
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PWM输出使用

设计输出一个周期500us（频率2Khz)占空比50％的PWM，基于定时器0通道0，如何配置？

static void GpioInit(void)
{
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
    gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_10MHZ, GPIO_PIN_8);
}

static void TimerInit(void)
{
    /* 使能定时器时钟；*/
    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER0);
    /* 复位定时器；*/
    timer_deinit(TIMER0);

    timer_parameter_struct timerInitPara;
    timer_struct_para_init(&timerInitPara);
    /* 设置预分频器值；*/
    timerInitPara.prescaler = 120 - 1;     // 输入给计数器的时钟频率为1Mhz，周期1us
    /* 设置自动重装载值；*/ 
    timerInitPara.period = 500 - 1;
    timer_init(TIMER0, &timerInitPara);

    timer_oc_parameter_struct ocInitPara;
    timer_channel_output_struct_para_init(&ocInitPara);
    /* 设置通道为输出功能；*/
    ocInitPara.outputstate = TIMER_CCX_ENABLE;
    /* 设置通道输出极性；*/
    ocInitPara.ocpolarity = TIMER_OC_POLARITY_HIGH;
    timer_channel_output_config(TIMER0, TIMER_CH_0, &ocInitPara);
    
    /* 设置占空比；*/
    timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER0, TIMER_CH_0, 250 - 1); 
    /* 设置通道输出PWM模式；*/
    timer_channel_output_mode_config(TIMER0, TIMER_CH_0, TIMER_OC_MODE_PWM0);
    timer_primary_output_config(TIMER0, ENABLE);
    /* 使能定时器；*/ 
    timer_enable(TIMER0);
}

void PwmDrvInit(void)
{
    GpioInit();
    TimerInit();
}

void PwmDrvTest(void)
{
    for (uint32_t i = 0; i < 500; i += 10)
    {
        timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER0, TIMER_CH_0, i); 
        DelayNms(50);
    }
    
    for (uint32_t i = 500; i > 0; i -= 10)
    {
        timer_channel_output_pulse_value_config(TIMER0, TIMER_CH_0, i); 
        DelayNms(50);
    }
}

PWM模式有效电平

PMW模式分PWMO和PWM1两种模式：
PWMO模式下，当CNT（计数值）<CHxCV的设置值时，输出为有效电平，否则为无效电平；
PWM1模式下，当CNT（计数值）<CHxCV的设置值时，输出为无效电平，否则为有效电平。
有效电平可以简单理解为,能使开关打开的电平：比如,我们控制NPN三极管导通,需要配置有效电平为高；而PNP三极管是低电平导通，因此需要配置有效电平为低。
两者区别在于，脉宽（有效电平）在一个周期中的位置。PWMO模式脉宽靠左；PWM1模式脉宽靠右。
有效电平是可以配置的，如果把有效电平定义为高电平，那么我们重新整理上面一段话得到：
PWMO模式下，当CNT（计数值）<CHxCV的设置值时，输出为高电平，否则为低电平;
PWM1模式下，当CNT（计数值） <CHxCV的设置值时，输出为低电平，否则为高电平。

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定时器可以输出几个通道的PWM？

一个定时器只有一个CAR寄存器，但是可以有多个（Hx（V寄存器，定时器0和7有4个通道，所以也有4个CHxCV0也是说每个定时器是可以输出4路频率相同占空比不同的PWM。

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输入捕获

输入捕获模式可以用来测量信号周期频率或脉冲宽度。
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输入捕获模式可以用来测量信号周期频率或脉冲宽度。
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在中断处理中，定时器不会停止，会一直运行。

输入捕获应用

测量一个周期为500us（频率2Khz)的PWM信号的周期，基于定时器1通道0，如何配置？

static void GpioInit(void)
{
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
    gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_10MHZ, GPIO_PIN_0);
}

static void TimerInit(void)
{
    /* 使能定时器时钟；*/
    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER1);
    /* 复位定时器；*/
    timer_deinit(TIMER1);

    timer_parameter_struct timerInitPara;
    timer_struct_para_init(&timerInitPara);
    /* 设置预分频器值；*/
    timerInitPara.prescaler = 120 - 1;     // 输入给计数器的时钟频率为1Mhz，周期1us
    /* 设置自动重装载值；*/ 
    timerInitPara.period = 65535;
    timer_init(TIMER1, &timerInitPara);

    timer_ic_parameter_struct icInitPara;
    timer_channel_input_struct_para_init(&icInitPara);
    /* 设置上升沿/下降沿捕获；*/
    icInitPara.icpolarity = TIMER_IC_POLARITY_RISING;
    /* 设置输入通道；*/
    icInitPara.icselection = TIMER_IC_SELECTION_DIRECTTI;
    timer_input_capture_config(TIMER1, TIMER_CH_0, &icInitPara);
    
    /* 使能定时器的捕获中断；*/
    timer_interrupt_flag_clear(TIMER1, TIMER_INT_FLAG_CH0);
    timer_interrupt_enable(TIMER1, TIMER_INT_CH0);
    /* 使能定时器中断和优先级；*/
    nvic_irq_enable(TIMER1_IRQn, 0, 0);

    /* 使能定时器；*/ 
    timer_enable(TIMER1);
}

static uint32_t g_icValue;

void TIMER1_IRQHandler(void)
{
    if (timer_interrupt_flag_get(TIMER1, TIMER_INT_FLAG_CH0) == SET)
    {
        timer_interrupt_flag_clear(TIMER1, TIMER_INT_FLAG_CH0);
        g_icValue = timer_channel_capture_value_register_read(TIMER1, TIMER_CH_0) + 1;
        timer_counter_value_config(TIMER1, 0);
    }
}
void CaptureDrvInit(void)
{
    GpioInit();
    TimerInit();
}

void CaptureDrvTest(void)
{
    printf("period is %d us.\n", g_icValue);
    DelayNms(500);
}

红外NEC

红外NEC通信协议

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红外接收头内部的三极管电路具有信号反向的功能，也是将1变为0，0变为1，所以数据0是0.56ms的低电平和0·56ms的高电平，数据1是0.56ms的低电平和1.69ms的高电平，引导码的9ms是高电平变为低电平。
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接收0x55数据，二进制01010101：
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红外遥控软件实现

ir.h

#ifndef _IR_H_
#define _IR_H_

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

#define KEY1_CODE   0X45
#define KEY2_CODE   0X46

/**
***********************************************************
* @brief 红外接收硬件初始化函数
* @param 
* @return 
***********************************************************
*/
void IrDrvInit(void);
    
/**
***********************************************************
* @brief 获取遥控按键码值
* @param code，输出，按键码值
* @return 返回是否成功获取到按键码值
***********************************************************
*/
bool GetIrCode(uint8_t *code);

#endif

ir.c

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include "gd32f30x.h"

static void GpioInit(void)
{
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOC);
    gpio_init(GPIOC, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_10MHZ, GPIO_PIN_6);
}

static void TimerInit(void)
{
    /* 使能定时器时钟；*/
    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER7);
    /* 复位定时器；*/
    timer_deinit(TIMER7);

    timer_parameter_struct timerInitPara;
    timer_struct_para_init(&timerInitPara);
    /* 设置预分频器值；*/
    timerInitPara.prescaler = 120 - 1;     // 输入给计数器的时钟频率为1Mhz，周期1us
    /* 设置自动重装载值；*/ 
    timerInitPara.period = 65535;
    timer_init(TIMER7, &timerInitPara);

    timer_ic_parameter_struct icInitPara;
    timer_channel_input_struct_para_init(&icInitPara);
    /* 设置上升沿/下降沿捕获；*/
    icInitPara.icpolarity = TIMER_IC_POLARITY_FALLING;
    /* 设置输入通道；*/
    icInitPara.icselection = TIMER_IC_SELECTION_DIRECTTI;
    timer_input_capture_config(TIMER7, TIMER_CH_0, &icInitPara);
    
    /* 使能定时器的捕获中断；*/
    timer_interrupt_flag_clear(TIMER7, TIMER_INT_FLAG_CH0);
    timer_interrupt_enable(TIMER7, TIMER_INT_CH0);
    /* 使能定时器中断和优先级；*/
    nvic_irq_enable(TIMER7_Channel_IRQn, 0, 0);

    /* 使能定时器；*/ 
    timer_enable(TIMER7);
}

#define TICK_HEAD_MAX     20000    // 表示引导码周期最大值20000us
#define TICK_HEAD_MIN     10000    // 表示引导码周期最小值10000us
#define TICK_0_MAX        1800     // 表示二进制0周期最大值1800us
#define TICK_0_MIN        500      // 表示二进制0周期最小值500us
#define TICK_1_MAX        3000     // 表示二进制1周期最大值3000us
#define TICK_1_MIN        1800     // 表示二进制1周期最小值1800us

static uint8_t g_irCode[4];
static bool g_irCodeFlag = false;

/**
***********************************************************
* @brief 解析按键码值
* @param tickNum，捕获计数值，单位us
* @return
***********************************************************
*/
static void ParseIrFrame(uint32_t tickNum)
{
    static bool s_headFlag = false;//静态局部变量，标识是否正确获取到引导码
    static uint8_t s_index = 0;//静态局部变量，保存解析了多少位的0和1
    
    if (tickNum > TICK_HEAD_MIN && tickNum < TICK_HEAD_MAX)
    {
        s_headFlag = true;
        return;
    }
    
    if (!s_headFlag)
    {
        return;
    }
    if (tickNum > TICK_1_MIN && tickNum < TICK_1_MAX)
    {
        g_irCode[s_index / 8] >>= 1;
        g_irCode[s_index / 8] |= 0x80;
        s_index++;
    }
    if (tickNum > TICK_0_MIN && tickNum < TICK_0_MAX)
    {
        g_irCode[s_index / 8] >>= 1;
        s_index++;
    }
    
    if (s_index == 32)
    {
        if ((g_irCode[2] & g_irCode[3]) == 0)   //(g_irCode[2] == (uint8_t)~g_irCode[3])
        {
            g_irCodeFlag = true;
        }
        else
        {
            g_irCodeFlag = false;
        }
        s_headFlag = false;
        s_index = 0;
    }
}

/**
***********************************************************
* @brief 获取遥控按键码值
* @param code，输出，按键码值
* @return 返回是否成功获取到按键码值
***********************************************************
*/
bool GetIrCode(uint8_t *code)
{
    if (!g_irCodeFlag)
    {
        return false;
    }
    *code = g_irCode[2];
    g_irCodeFlag = false;
    return true;
}

void TIMER7_Channel_IRQHandler(void)
{
    uint32_t icValue;
    if (timer_interrupt_flag_get(TIMER7, TIMER_INT_FLAG_CH0) == SET)
    {
        timer_interrupt_flag_clear(TIMER7, TIMER_INT_FLAG_CH0);
        icValue = timer_channel_capture_value_register_read(TIMER7, TIMER_CH_0) + 1;
        timer_counter_value_config(TIMER7, 0);
        ParseIrFrame(icValue);
    }
}

/**
***********************************************************
* @brief 红外接收硬件初始化函数
* @param 
* @return 
***********************************************************
*/
void IrDrvInit(void)
{
    GpioInit();
    TimerInit();
}

1.GpioInit函数：

  • 该函数初始化了一个 GPIO 端口，用于连接红外接收器。具体地，使用 rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOC) 使能了 GPIOC 端口的时钟。
  • 使用 gpio_init(GPIOC, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_10MHZ, GPIO_PIN_6) 初始化了 GPIOC 的第6个引脚，设置为浮空输入模式。
    2.TimerInit 函数：
  • 该函数初始化了定时器7(TIMER7)用于捕获红外接收器接收到的信号。
  • 首先，通过 rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER7) 使能了定时器7的时钟，并通过 timer_deinit(TIMER7) 对定时器7进行了复位。
  • 然后，设置了定时器的预分频器值为120 - 1，使定时器的输入时钟频率为1MHz，周期为1微秒，并设置了自动重载值为65535。
  • 使用 timer_init(TIMER7, &timerInitPara) 对定时器进行了初始化配置。
  • 初始化了定时器7的通道0用于输入捕获，设置了捕获的触发边沿为下降沿，并通过 timer_input_capture_config(TIMER7, TIMER_CH_0, &icInitPara) 进行了配置。
  • 使能了定时器7的通道0的捕获中断，并通过 nvic_irq_enable(TIMER7_Channel_IRQn, 0, 0) 使能了定时器7的中断。
    3.ParseIrFrame 函数：
  • 该函数用于解析红外信号的帧，根据红外信号的脉冲宽度判断数据位的值。
  • 首先判断是否获取到引导码，若未获取到则直接返回。
  • 若获取到引导码，则根据不同的脉冲宽度判断数据位是0还是1，并逐步解析出完整的按键码值。
  • 当解析完成32位的按键码值后，判断按键码值的有效性，并将解析状态置为未获取引导码的状态。
    4.GetIrCode 函数：
  • 该函数用于获取解析到的红外按键码值。
  • 若成功获取到按键码值，则将按键码值保存到参数 code 中，并将解析状态置为未获取的状态。
    5.TIMER7_Channel_IRQHandler 函数：
  • 该函数为定时器7的中断处理函数，当捕获中断触发时被调用。
  • 首先判断是否是通道0的捕获中断触发，若是则清除中断标志，并读取捕获寄存器的值，并进行解析。
    6.IrDrvInit 函数：
  • 该函数用于初始化红外接收硬件，包括初始化 GPIO 端口和定时器。

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