09-TIM高级应用：PWM与输入捕获.md 12 KB
tags: [source-summary] type: source source: "尚硅谷嵌入式技术之STM32单片机（进阶篇）V1.0.1 — 第1章：PWM + 配套代码20~27" author: "尚硅谷研究院" date: 2026-07-15
created: 2026-07-15
TIM高级应用：PWM与输入捕获
用生活理解：PWM 就像快速开关灯——如果你的手足够快（每秒 1000 次），眼睛看见的就不是闪烁而是灯光变暗了。开的时间比例（占空比）越大就越亮。呼吸灯就是占空比从 0% 逐渐增加到 100% 再回来，像呼吸一样平滑。输入捕获就像用第二个秒表测量第一个秒表的读数——测量外部信号的频率或脉宽。
PWM 原理
PWM = Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），通过调节脉冲宽度（占空比）控制平均电压。
基本参数
输出: ████░░░░░░░░ 频率 = 1KHz, 占空比 = 40%
↑CCR ↑ARR
└ 高电平 ┘
PWM 频率：Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)
PWM 占空比：Duty = CCR / (ARR + 1) × 100%
PWM 分辨率：Resolution = 1 / (ARR + 1) × 100%
典型配置示例：
目标: 1KHz PWM, 可用占空比 0~999 (0.1% 分辨率)
CK_PSC = 72MHz
PSC = 72 - 1 → CK_CNT = 72M / 72 = 1MHz
ARR = 1000 - 1 → Freq = 1MHz / 1000 = 1KHz
CCR = 0~999 → Duty = 0~99.9%
输出比较模式
TIM 的输出比较模式由 CCMR1/2 寄存器的 OCxM[2:0] 位控制：
| OCxM | 模式 | 计数器条件 | 输出 |
|---|---|---|---|
| 000 | 冻结 | — | 无影响 |
| 001 | 强制有效 | — | 输出高电平 |
| 010 | 强制无效 | — | 输出低电平 |
| 011 | 翻转 | CNT=CCR | 翻转输出 |
| 110 | PWM 模式1 | CNT<CCR 有效, CNT≥CCR 无效 | 向上计数时前半周期高 |
| 111 | PWM 模式2 | CNT<CCR 无效, CNT≥CCR 有效 | 向上计数时前半周期低 |
PWM 模式 1（向上计数）波形：
CNT: 0 → 1 → ... → CCR → ... → ARR → 0 → ...
输出: ████████████████░░░░░░░░░░░░░░░████
↑CCR
← 占空比(CCR/ARR+1) → ← 剩余 →
←—————— 周期(ARR+1) × CK_CNT ——————→
TIM 输出比较寄存器
| 寄存器 | 功能 |
|---|---|
| CCMR1 | 捕获/比较模式寄存器1（CH1/CH2 模式配置、预装载使能） |
| CCMR2 | 捕获/比较模式寄存器2（CH3/CH4 模式配置） |
| CCER | 捕获/比较使能寄存器（CCxE 输出使能、CCxP 输出极性） |
| CCR1~4 | 捕获/比较值寄存器（PWM 时存占空比，捕获时存事件发生时的 CNT） |
参考：参考手册 §14（TIM 寄存器描述）
影子寄存器
TIM 的 ARR 和 CCRx 都有影子寄存器机制：
- 预装载寄存器：软件可读写（如 ARR, CCR1）
- 影子寄存器：真正驱动硬件的内部寄存器
- 更新时机：
CR1.ARPE=1时，影子寄存器在 UEV 时更新（推荐） CR1.ARPE=0时，预装载值立即传送到影子（可能有毛刺）
建议 ARPE=1，在修改 ARR/CCR 时等待下次更新事件后才生效，避免中途改变造成波形异常。
实验：呼吸灯
软件设计（寄存器版）
项目路径：stm32_base/20_tim_led_breathe_register
需求：使用 TIM5_CH1 输出 PWM 到 PA0（LED1），占空比 0~99% 循环渐变。
硬件电路：LED1 = PA0，TIM5_CH1 的输出通道可通过重映射连接到 PA0。
文件：stm32_base/20_tim_led_breathe_register/Hardware/TIM5/tim5.h
#ifndef __TIM5_H
#define __TIM5_H
#include "stm32f10x.h"
void TIM5_Init(void);
void TIM5_Start(void);
void TIM5_SetDutyCycle(uint8_t duty); // duty: 0~99
#endif
文件：stm32_base/20_tim_led_breathe_register/Hardware/TIM5/tim5.c
#include "tim5.h"
void TIM5_Init(void)
{
/* ========== 1. 开启时钟 ========== */
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM5EN; // TIM5 时钟使能（APB1）
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN; // GPIOA 时钟使能
/* ========== 2. 配置 PA0 为复用功能推挽输出 ========== */
// TIM5_CH1 输出到 PA0（需要 AFIO 重映射）
// CNF=10(复用推挽), MODE=11(50MHz)
GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_CNF0; // &=~: CNF0清0
GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF0_1; // |=: CNF0[1]=1
// CNF[1:0] = 10 → 复用功能推挽
GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE0; // |=: MODE0[1:0]=11
/* ========== 3. 配置 TIM5 时基 ========== */
// PWM 频率 = 72MHz / 72 / 1000 = 1KHz
TIM5->PSC = 72 - 1; // 预分频: 72MHz → 1MHz
TIM5->ARR = 1000 - 1; // 重装载: 1MHz/1000 = 1KHz
/* ========== 4. 配置通道1输出比较模式 ========== */
// CCMR1 控制 CH1 和 CH2
// OC1M[2:0] = 110 → PWM 模式1
TIM5->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2; // 设置 OC1M bit2=1, bit1=1
// OC1PE = 1 → 预装载使能（CCR1 修改后等待 UEV 才更新）
TIM5->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1PE; // |=: OC1PE位置1
// CCER: CC1E = 1 → CH1 输出使能
// CC1P = 0 → 高电平有效（CNT<CCR 输出高）
TIM5->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // |=: CC1E位置1
/* ========== 5. 初始占空比 ========== */
TIM5->CCR1 = 0; // 初始占空比 0%
/* ========== 6. 使能自动重装载预装载 ========== */
TIM5->CR1 |= TIM_CR1_ARPE; // |=: ARPE=1
}
// 启动 TIM5 计数器
void TIM5_Start(void)
{
TIM5->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // |=: CEN=1, 开始计数
}
// 设置占空比
// duty: 0~99 对应占空比 0%~99%
// CCR1 = duty × 10（因为 ARR=999, 1% 对应 10 个计数）
void TIM5_SetDutyCycle(uint8_t duty)
{
if (duty > 99) duty = 99; // 限制范围
TIM5->CCR1 = duty * 10; // CCR1 = 0, 10, 20, ..., 990
}
文件：stm32_base/20_tim_led_breathe_register/User/main.c
#include "tim5.h"
#include "delay.h"
int main(void)
{
TIM5_Init();
TIM5_Start();
uint8_t duty = 0; // 当前占空比 (0~99)
uint8_t dir = 0; // 方向: 0=增加占空比, 1=减小
uint8_t step = 1; // 每次改变量
while (1)
{
// 修改占空比
if (dir == 0) {
duty += step;
if (duty >= 99) dir = 1; // 到 99% 转向减小
} else {
duty -= step;
if (duty <= 0) dir = 0; // 到 0% 转向增加
}
TIM5_SetDutyCycle(duty); // 更新 CCR1
Delay_ms(10); // 每 10ms 改变一次，呼吸周期 ≈ 2s
}
}
实验：PWM 周期/占空比独立控制
项目路径：stm32_base/22_tim_pwm_cycle_register（周期控制）
项目路径：stm32_base/24_tim_pwm_duty_register（占空比控制）
// 周期控制：固定占空比 50%，改变频率
// 通过修改 PSC 或 ARR 改变频率
void PWM_SetFreq(uint16_t freq)
{
// Freq = 72MHz / (PSC+1) / (ARR+1)
// 固定 PSC=72-1, 调整 ARR
TIM5->ARR = (72000000 / 72 / freq) - 1;
// 保持占空比 50%: CCR1 = ARR/2
TIM5->CCR1 = TIM5->ARR / 2;
}
// 占空比控制：固定频率 1KHz，改变占空比
void PWM_SetDuty(uint8_t percent)
{
// ARR 固定 999, 改变 CCR1
TIM5->CCR1 = (uint16_t)((uint32_t)999 * percent / 100);
}
实验：输入捕获测频率
输入捕获可测量外部信号的频率或脉宽。原理：记录两次边沿事件发生时的 CNT 值，差值 = 脉冲宽度或周期。
配置流程
1. GPIO 配置为输入（浮空/上拉）
2. TIM 启用输入捕获模式（CCMRx.ICx=1）
3. 配置捕获边沿（CCER.CCxP 上升/下降沿）
4. 使能捕获中断（DIER.CCxIE）
5. 在 ISR 中读取 CCRx，计算差值
// 初始化 TIM2_CH1(PA0) 为输入捕获模式
void TIM2_Capture_Init(void)
{
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
// PA0 浮空输入
GPIOA->CRL &= ~(GPIO_CRL_MODE0 | GPIO_CRL_CNF0);
// TIM2_CH1 映射到 PA0（默认）
TIM2->PSC = 72 - 1; // CK_CNT = 1MHz (分辨率 1us)
TIM2->ARR = 0xFFFF; // 最大 16 位
// CCMR1: CH1 输入捕获模式（IC1=1 映射到 TI1）
TIM2->CCMR1 |= TIM_CCMR1_CC1S_0; // CC1S=01: CH1→TI1
// 捕获边沿: 上升沿
TIM2->CCER &= ~TIM_CCER_CC1P; // CC1P=0: 上升沿
// 使能捕获中断
TIM2->DIER |= TIM_DIER_CC1IE;
// NVIC
NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
// 启动
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}
// 捕获中断：记录两次上升沿的 CNT 差值
volatile uint16_t cap1, cap2;
volatile uint8_t cap_count = 0;
void TIM2_IRQHandler(void)
{
if (TIM2->SR & TIM_SR_CC1IF) // 捕获事件发生
{
if (cap_count == 0) {
cap1 = TIM2->CCR1; // 第一次捕获值
cap_count = 1;
} else {
cap2 = TIM2->CCR1; // 第二次捕获值
cap_count = 2;
// 频率 = CK_CNT / (cap2 - cap1)
// = 1MHz / 差值
uint16_t diff = (cap2 > cap1) ? (cap2 - cap1) : (0xFFFF - cap1 + cap2);
uint32_t freq = 1000000 / diff;
}
TIM2->SR &= ~TIM_SR_CC1IF; // 清标志
}
}
HAL 库版 PWM
HAL 库使用 HAL_TIM_PWM_Start() 启动 PWM，用宏 __HAL_TIM_SET_COMPARE() 修改占空比。
// CubeMX 生成: MX_TIM5_Init() 配置 PSC/ARR 和 CH1 输出模式
TIM_HandleTypeDef htim5;
// 启动 PWM 输出
HAL_TIM_PWM_Start(&htim5, TIM_CHANNEL_1);
// HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim5, TIM_CHANNEL_1); // 互补输出（TIM1 高级定时器）
// 修改占空比（HAL 宏，比直接写寄存器更可移植）
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim5, TIM_CHANNEL_1, duty); // duty = 0~ARR
// HAL 库呼吸灯示例
uint8_t duty = 0, dir = 0;
while (1) {
if (!dir) { duty++; if (duty >= 99) dir = 1; }
else { duty--; if (duty <= 0) dir = 0; }
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim5, TIM_CHANNEL_1, duty * 10);
HAL_Delay(10);
}
核心速查表
| 操作 | 寄存器版 | HAL 库版 |
|---|---|---|
| PWM 模式1（CH1） | `CCMR1 | = OC1M_1 + OC1M_2` |
| PWM 输出使能 | `CCER | = CC1E` |
| 修改占空比 | CCR1 = value |
__HAL_TIM_SET_COMPARE(htim, CH, val) |
| 修改频率 | ARR = new_value |
改 htim.Init.Period 重新 Init |
| 输入捕获 | `CCMR1 | = CC1S_0` |
| 读取捕获值 | CCR1 |
__HAL_TIM_GET_COMPARE(htim, CH) |
| 呼吸灯参数 | 频率 | 占空比范围 | 渐变步长 |
|---|---|---|---|
| PWM 频率 | 1KHz | 0~99% | 1% |
| 渐变间隔 | 10ms | — | — |
| 呼吸周期 | ~2s | — | — |
常见问题与避坑
- PWM 无输出 → 检查 GPIO 模式（必须复用推挽 CNF=10，不是通用推挽）、CCER.CCxE 是否使能
- 占空比 0% 时引脚仍有电平 → 检查 CCER.CCxP 极性配置、CH 是否确实连接到了目标引脚
- PWM 频率与预期不符 → 确认 APB1 定时器时钟公式：如果 APB1 预分频≠1 则 TIM 时钟 = APB1×2
- 修改 CCR 后占空比不立即变化 → ARPE=1 时需等到下次 UEV；如需立即更新可先清除 ARPE
- 呼吸灯非预期渐变 → 确保 PWM 频率 > 100Hz（否则人眼能看见闪烁），推荐 1KHz 以上
- 输入捕获值不准 → 捕获事件太频繁（计数溢出），增大 PSC 降低 CK_CNT 分辨率换范围
- 输入捕获只进一次中断 → CNT 计数溢出（ARR=0xFFFF 最大），需添加溢出中断 UIF 计数