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第5章

計時器與PWM訊號產生

5.1 STM32的Timer硬體簡介

SIOC的Timer主要分成兩種類型，一為高級控制計時器(Advanced Control Timer)一為通用計時器(General-Purpose Timer)，高級控制計時器(TIM1)主要的功能如下

l   16-bit向上、向下、向上/向下自動裝載計數器(counter)

l   16-bit可編程的預除器，計時器clock頻率的除頻係數為1~65535之間的任意數值

l   四個獨立通道

n   輸入捕獲

n   輸出比較

n   Pwm生成

n   單脈衝模式輸出

l   死區時間可編程的互補輸出

l   使用外部信號控制計時器和計時器之間互相的同步電路

l   允許在指定數目的計數器週期後更新計時器暫存器的重複計數器

l   剎車輸入信號可將計時器的輸出信號設定於重設狀態(reset state)或者是已知狀態(known state)

l   如果遇到下列事件發生會產生中斷/DMA

n   更新：如計數器向上或向下溢出，計時器初始化

n   觸發事件：計數器啟動、停止、初始化或者由內部/外部觸發計數

n   輸入捕獲

n   輸出比較

n   剎車訊號輸入

l   支援定位增量編碼器和霍爾感應電路(Hall-sensor cicuitry)

l   觸發輸入作為外部的clock或者週期的電流管理

圖1. 高級計時器架構圖

通用計時器(TIM2-TIM4)主要功能如下

l   16-bit向上、向下、向上/向下自動裝載計數器(counter)

l   16-bit可編程的預除器，計時器clock頻率的除頻係數為1~65535之間的任意數值

l   四個獨立通道

n   輸入捕獲

n   輸出比較

n   Pwm生成

n   單脈衝模式輸出

l   使用外部信號控制計時器和計時器之間互相的同步電路

l   如果遇到下列事件發生會產生中斷/DMA

n   更新：如計數器向上或向下溢出，計時器初始化

n   觸發事件：計數器啟動、停止、初始化或者由內部/外部觸發計數

n   輸入捕獲

n   輸出比較

n   剎車訊號輸入

l   支援定位增量編碼器和霍爾感應電路(Hall-sensor cicuitry)

l   觸發輸入作為外部的clock或者週期的電流管理

圖2. 通用計時器架構圖

5.2  Timer與Interrupt處理

這一小節中，我們利用計時器產生中斷，並且以通用計時器的TIM3為例其步驟如下：

1. I.           Peripheral reset register: ENABLE TIM3的該暫存器
2. II.        設定TIM3_ARR和TIM3_PSC 的值：透過這兩個暫存器，我們來設定自動重裝的值和除頻係數。這兩個參數加上時鐘的頻率決定了計時器的溢出時間。
3. III.     設定TIM3_DIER允許更新中斷：因為在中斷實驗中要使用TIM3的更新中斷，所以設定DIER的UIE位元，並使其能觸發中斷。
4. IV.     開啟TIM3：設定完TIM3後，若未開啟計時器，是無法使用TIM3，在整個配置完後要透過拉起TIM3_CR1這暫存器的CEN位元。
5. V.        TIM3中斷分組設定：在計時器設定完後因要產生中斷，利用NVIC這相關的暫存器使TIM3中斷。
6. VI.     撰寫中斷服務函數：最後需要撰寫計時器的中斷服務函式，透過該函數對計時器產生處理相關中斷。在中斷產生後，透過狀態暫存器的值來判斷此次產生的中斷是屬於類型。這次舉例為更新溢位中斷，在處理中斷完之後應該向TIM3_SR的最低為寫入0來清除該中斷標誌。

5.3  立即演練

實驗1：Timer的控制

l   實驗說明：利用3個timer(TIM2,TIM3, TIM4)分別產生1 sec, 2 sec及3 sec等3個不同時間訊號,輸出訊息至螢幕。

l   程式碼解說：

  I.           程式發展流程

說明  整個程式流程為一開始初始化設定整個系統(Set_System)使得其virtual com port可以跑起來，之後設定需要使用的GPIO腳位(Gpio_configuration), TIMER(TIM_Configuration)和中斷(NVIC_Configuration)的基本設定。

II.           RCC configure

說明  Enable TIM2, TIM3和TIM4。

III.           GPIO configure

說明  Enable需要使用到的GPIO腳位如PIN3, PIN4及PIN5，並且將它的輸出模式設定成Output push-pull及設定他的速度為50MHz。

IV.           TIMs Configure

說明  對TIMER做基本設定如其的period, prescaler, clock division, counter mode及repetition counter，並且將counter enable。另外設定TIMER的預除器的值、模式。此外要清除TIMER的更新pending flag和更新TIEMR的interrupt。

V.           NVIC Configure

說明  透過NVIC對TIMER的中斷做處理，從設定他的中斷向量table、還有該中斷的IRQ channel、以及其中斷的優先權順序。

 VI.           IRQ Service

說明  透過中斷服務程式將每次中斷完後的pending bit清除，下次才可中斷呼叫進服務程式。

實驗2：計時碼表設計

實驗說明：使用者輸入“1”馬錶開始計時並印出；使用者輸入“2”馬錶暫停計時並印出；使用者輸入“3”馬錶繼續計時並印出；使用者輸入“4”馬錶停止計時並印出。

l   檔案結構：如表一

l   程式碼解說：
可利用實驗一的範例程式下去修改，主要修改內容為主程式改用使用者輸入指令、撰寫Stopwatch_counter()副程式的時間計數以及TIM2_IRQHandler中斷服務的呼叫。

I.           程式發展流程

說明  整個程式流程為一開始初始化設定整個系統(Set_System)使得其virtual com port可以跑起來，之後設定需要使用的GPIO腳位(Gpio_configuration), TIMER(TIM_Configuration)和中斷(NVIC_Configuration)的基本設定。此外又多加了Stopwatch_counter()副程式去累加每次中斷所累計的counter數值。

II.           Stopwatch Counter

說明  利用每次每秒鐘的中斷呼叫此副程式，利用變數儲存秒數且印出。

 III.           IRQ Service

說明  利用每一秒鐘斷實呼叫Stopwatch_counter()這個副程式壘計秒數，並且清除Pending bit以便下次中斷進入。

實驗3：以Ｔimer產生ＰＷＭ訊號

實驗說明：使用timer產生PWM訊號，控制LED燈亮度(或蜂鳴器音量、或直流馬達)。

l   檔案結構：如表一

l   程式碼解說：

I.           程式發展流程

說明  整個程式流程為一開始初始化設定整個系統(Set_System)使得其virtual com port可以跑起來，之後設定需要使用的GPIO腳位(Gpio_configuration), TIMER(TIM_Configuration)和中斷(NVIC_Configuration)的基本設定。此外又多加了PWM_output ()副程式去pwm的duty cycle和frequency。

 II.           PWM output

說明  此副函式利用頻率套入公式算出Prescaler值，利用TIM_TimeBaseInit這副程式做初始設定之後再透過TIM_OC1Init設定duty cycle值。