STM32筆記(19)：定時器 Timer 與定時器中斷

上一篇瞭解如何使用按鍵來觸發外部中斷，將中斷服務程式中的計數累計起來，並顯示在 OLED 螢幕上。這篇要稍微改一下中斷的方式，改以 Timer 定時器來引發中斷，並瞭解一下 STM32 的定時器功能。

在設計嵌入式的應用程式開發時，定時器(Timer)和計數器(Counter)對系統來說非常重要，常用於計算所經過的時間、延遲、計算次數等。談到定時器，要先認識 STM32 提供的時鐘種類，有以下幾種：

時鐘來源	說明
內部時鐘(CK_INT)	-
外部時鐘模式1	外部輸入腳(TIx)
外部時鐘模式2	外部觸發輸入(ETR)
內部觸發輸入(ITRx,x=0,1,2,3)	使用一個定時器作爲另一個定時器的預分頻器。

這裡所提的內部、外部時鐘其實還有分高速和低速，內容較多，改天整理資料再撰寫另一篇文章討論一下 STM32 的時鐘體系。這裡先瞭解要使用定時器 Timer 和計數器 Counter，會用到上述 4 種時鐘來源即可。

STM32F103x 一共有 11 個定時器：

2 個高階控制定時器
4 個普通定時器
2 個基本定時器
2 個看門狗定時器
1 個 Systick 定時器

扣除看門狗和 Systick 定時器，其他還有 8 個，將之命名為 TIM1～TIM8，STM32 將這 8 個定時器分成以下三類：

類別	名稱	匯流排	計數器類型	捕獲/比較通道	互補輸出	功能
基本定時器	TIM6、TIM7	APB1	向上	0	沒有	▸定時中斷：16 位元可往上自動裝載計數器 ▸觸發 DAC 的同步電路 ▸更新事件時產生中斷/DMA：計數器溢出
通用定時器	TIM2、TIM3、 TIM4、TIM5	APB1	向上、向下、向上/向下	4	沒有	擁有基本定時器全部功能之外，加上： ▸16位元可向上、向下及向上向下自動裝載計數器 ▸內外時鐘源選擇 ▸輸入捕獲(Input capture)：測量輸入信號的脈衝寬度 ▸輸出比較(Output compare)：產生輸出波形 ▸編碼器介面 ▸主從觸發模式 ▸PWM 輸出
高級定時器	TIM1、TIM8	APB2	向上、向下、向上/向下	4	有	擁有通用定時器全部功能之外，加上： ▸重複計數器 ▸死區生成 ▸互補輸出 ▸刹車輸入

上述的計數類型有三種：

向上計數：從 0 開始，計算到暫存器 ARR 預設值時產生溢出事件，然後再返回 0 後繼續計數。
向下計數：從暫存器 ARR 的預設值開始，倒數到 0 後產生溢出事件，然後再從 ARR 預設值開始倒數計數。
向上/向下(或稱中央對齊)計數：從 0 開始向上計數到 ARR 預設值後產生溢出事件，然後向下計數到 1 以後再次產生溢出，然後再從 0 開始向上計數。

再來看一下基本定時器的方塊圖：

① 時鐘源
計時器時鐘 TIMxCLK，由內部時鐘 CK_INT，經 APB1 預分頻器後分頻提供，如果 APB1 預分頻係數等於 1，則頻率不變，若是 APB1 預分頻的係數是 2，即 PCLK1 = 72M / 2 = 36M，所以計時器時鐘 TIM x CLK = 36*2 = 72M。

②計數器時鐘
計時器時鐘經過預分頻暫存器(TIMx_PSC)之後，即 CK_CNT，用來驅動計數器計數。PSC 是一個 16 位的預分頻器，可以對計時器時鐘 TIMxCLK 進行 1～65536 之間的任何一個數進行分頻。具體計算方式為：CK_CNT = TIMxCLK / (PSC + 1)。

③計數器
計數器 CNT 是一個 16 位的計數器，只能往上計數，最大計數值為 65535。當計數達到自動重裝載寄存器的時候產生更新事件，並清零從頭開始計數。

④自動重裝載寄存器(TIMx_ARR)
自動重裝載寄存器 ARR 是一個 16 位的暫存器，這裡面裝著計數器能計數的最大數值。當計數到這個值的時候，如果啟用中斷的話，計時器就產生溢出中斷。

上圖最重要的有三個暫存器：計數器暫存器 (TIMx_CNT)、預分頻器暫存器 (TIMx_PSC) 及自動重載暫存器 (TIMx_ARR)。如果要計算「溢出時間 Tout」，可使用以下這個計算公式：

Tout = ((ARR + 1)*(PSC + 1))/ Tclk；

Tout 的單位是秒(s)，其中 Tclk 是 TIMx 輸入的時鐘頻率(單位爲 Mhz)，通常為 72 Mhz。
舉個例子，如要得到定時器為 0.5 秒的值，各暫存器要如何設定？可以設定 ARR 暫存器的值為 4999，PSC 暫存器的值為 7199，這樣計算出來的結果就是 0.5 秒。計算公式如下：
Tout = (4999 + 1)*(7199 + 1)/72000000 = 0.5s = 500 ms,也就是中斷時間為 0.5 秒。

[常用的 Timer 函式]

✈ TIM_DeInit(TIM_TypeDef *TIMx);
將 Timer 設定為預設值。
- 引數 TIMx 是定時器編號。

✈ TIM_InternalClockConfig(TIM_TypeDef *TIMx)
採用內部時鐘給 TIMx 提供時鐘源。
- 引數 TIMx 是定時器編號。

✈ TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStruct)
對 TIMx 進行初始化，需先定義並填入一個 TIM_TimeBaseInitTypeDef 類型的結構體。

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;

TIM_TimeBaseInitStruct 這個結構體有以下 5 個引數：

引數名稱	說明
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIVx;	用來設置時鐘分頻因子，TIM_CKD_DIVx; x 可以是1,2,4三種。
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = xxx;	設置計數方式，xxx 可以設置為： ▸TIM_CounterMode_Up：向上計數 ▸TIM_CounterMode_Down：向下計數 ▸TIM_CounterMode_CenterAligned：中央對齊計數
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = n;	設置自動重載計數週期值，這個值就是上方公式的 PSC。
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = n;	預分頻係數。這個係數就是上方所列公式的 ARR。其值範圍是從 0 ~ 65535。
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = n;	重複計數，通常設為 0 ，就是經過 n 次溢出時，才產生一個中斷。是高級定時器才有的功能。

✈ TIM_ClearFlag(TIM_TypeDef *TIMx, uint16_t TIM_FLAG)
清除溢出中斷標誌。
- 引數 TIMx 是定時器編號。

✈ TIM_ITConfig(TIM_TypeDef *TIMx, uint16_t TIM_IT, FunctionalState NewState)；
啟用或停用 TIMx 的中斷類型。
- 引數 TIMx 是定時器編號。
- 引數 TIM_IT 用來指明我們使能的定時器中斷的類型，定時器中斷的類型可以是以下幾種：

TIM_IT_Update: 更新中斷來源
TIM_IT_CC1: 捕捉比對編號1 的中斷來源
TIM_IT_CC2: 捕捉比對編號2 的中斷來源
TIM_IT_CC3: 捕捉比對編號3 的中斷來源
TIM_IT_CC4: 捕捉比對編號4 的中斷來源
TIM_IT_COM: 溝通中斷來源
TIM_IT_Trigger: 觸發中斷來源
TIM_IT_Break: 暫停中斷來源

- 引數 NewState 設定為啟用或停用：ENABLE 或 DISABLE。

✈ TIM_ARRPreloadConfig(TIM_TypeDef *TIMx, FunctionalState NewState)
設定是否使用預裝載緩衝器。
- 引數 TIMx 是定時器編號。
- 引數 NewState 設定為啟用 ENABLE 或停用 DISABLE。

[程式撰寫步驟]

(1) 設定系統時鐘

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

(2) 設定 NVIC 中斷優先順序分組

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

(3) 設定 GPIO，若不需要中斷時控制輸出入的引腳，這段程式可以省略。

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;       //選擇引腳5
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //輸出頻率最大50MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //帶上拉電阻輸出
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

(4) 設定 TIMER

TIM_InternalClockConfig(TIM2);  //設定 TIM2 內部時鐘源

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; // 初始化 TIMx，定義並填入 TIM_TimeBaseInitTypeDef 類型的結構體
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;  //用來設置時鐘分頻因子
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //設置計數方式
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 10000 - 1;		//設置自動重載計數週期值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 7200 - 1;		//預分頻係數
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
	
TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);  		// 清除溢出中斷標誌。
TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);  // 啟用 TIMx 的中斷

(5) 啟用 Timer

TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

(6) 編寫外部中斷服務函式的

void TIM2_IRQHandler(void)  //TIM2 中斷
{
	if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)  ////檢查指定的TIM中斷發生與否
	{
		... 程式邏輯
		TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  //清除TIMx的中斷待處理位
	}
}

依照上述幾個步驟，就可完成定時器中斷的控制，以下就用一個定時器觸發中斷，然後將計數器加 1，根據內部時鐘計算，這個計數器每跳一次剛好是 1 秒鐘，並將秒數顯示在 OLED 上。

[材料]

STM32F103C8T6 主板 x 1
OLED SSD1306 顯示器 x1
STLINK V2 模擬下載器 x 1
麵包板 x1
連接線 x N 條

[接線與電路圖]

按鍵的一個接腳接在 GND，另一腳接在 STM32F103x PB14，與 SSD1306 連接的方式如下：

STM32F103x	SSD1306 OLED
3.3v	VDD
GND	GND
B8	SCK/SCL
B9	SDA

[程式]

主程式一開始先對 OLED 進行初始化，進入迴圈循環後就等中斷產生，主程式 main.c 如下：

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "oled.h"
#include "bmp.h"
#include "Timer.h"

uint16_t Second;

int main (void)
{
	delay_init();	    	 //延時函數初始化	  
	NVIC_Configuration(); 	 //設置 NVIC 中斷分組2:2位搶佔優先順序，2位回應優先順序 	
	OLED_Init();		 //初始化OLED  
	Timer_Init();
	
	OLED_Clear(0);         //清除螢幕
	OLED_ShowString(2, 2, "Second:",16);	
	while (1)
	{

		OLED_ShowNum(60, 2, Second,5, 16);
	}
}

新增一個 Timer.c 程式及一個 Timer.h 標題檔案，放置於 System 的目錄中。以下是 Timer.c 的內容：

#include "stm32f10x.h"           

extern uint16_t Second;

void Timer_Init(void)
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
	
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 10000 - 1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 7200 - 1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
	TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

void TIM2_IRQHandler(void)
{
	if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)
	{
		Second ++;
		TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
	}
}

以下是 Timer.h 標題檔的內容：

#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H

void Timer_Init(void);

#endif

完整的程式請參考 Github：5. Timers and Timer Interrupts

[結果]

因用手機拍攝的頻率與 OLED 螢幕接近，看起來螢幕是閃爍的，實際用眼睛看時是不會。

STM32筆記(19)：定時器 Timer 與定時器中斷

[常用的 Timer 函式]

[程式撰寫步驟]

[材料]

[接線與電路圖]

[程式]

[結果]

[參考資料]

Post a Comment

張貼留言

聯絡表單