Таймеры stm32 HAL - часть первая

Вторая часть тут.


Таймеры — это самая крутая штуковина, которая есть у микроконтроллеров. С их помощью можно замерять время, длину импульсов, считать импульсы, создавать ШИМ-сигнал, запускать один таймер другим, запускать таймером некоторую периферию, запускать ракеты в космос и т.д. А самая круть заключается в том, что всё это происходит на аппаратном уровне, то есть без участия CPU.

Я уже писал статью про таймеры stm32, применительно к IDE Arduino, там простым языком рассказано, как работает таймер, что такое предделитель, переполнение и захват/сравнение. Мне не хочется полностью дублировать эту информацию здесь, поэтому если Вы не знакомы с таймерами или знакомы поверхностно, то прочтите вначале это. Примеры не смотрите, они для IDE Arduino.

Таймеры stm32 делятся на три вида:

Advanced-control timers (TIM1 и TIM8) — самые «нафаршированные».
General-purpose timers (TIM2, TIM3, TIM4, TIM5) — функционал чуть меньше чем у предыдущих.
Basic timers (все остальные) — сильно урезанный функционал.


Описание сделано на примере таймера №1.

---

Начнём с самого простого — выполнение какого-нибудь действия через определённые промежутки времени. Таймер будет каждые 500мс генерировать прерывание и мигать светодиодом в обработчике.

На всякий случай:
мс — миллисекунда (1000мс = 1сек).
мкс — микросекунда (1000000мкс = 1сек).
нс — наносекунда (1000000000нс = 1сек)


Первым делом нужно выбрать источник тактирования…



Clock Source ⇨ Internal Clock — в данном случае источник будет внутренний — частота от шины APB2…





Далее настраиваем таймер…











Теперь включите прерывание…


TIM1 update interrupt — прерывание при переполнении. Счётчик переполнился и обновился (update).

Перед бесконечным циклом запустим таймер в режиме прерывания:

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);
/* USER CODE END 2 */

В колбеке мигаем светиком:

/* USER CODE BEGIN 0 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	if(htim->Instance == TIM1) //check if the interrupt comes from TIM1
	{
		HAL_GPIO_TogglePin(led13_GPIO_Port, led13_Pin); 
	}
}

Это самое распространённое использование таймера — выполнение каких-либо действий через определённые интервалы времени.

---

Следующим источником тактирования идёт ETR2. Если указать ETR2, тогда источником будет служить какой-то внешний сигнал.

В кубе делаем так…



Источник тактирования — ETR2, предделитель не используем — 0, переполнение будет 10. Раздел Trigger Output пока не нужен, а про Clock под спойлером…



Не забудьте включить прерывание — update interrupt.


Сигнал на таймер будем подавать с GPIO PA5, настройте его как GPIO_Output. В программе остаётся прежний колбек со светиком, а в бесконечном цикле создаём тактирующую частоту для таймера — 10Гц.

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);
/* USER CODE END 2 */

/* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
	  HAL_GPIO_WritePin(pa5_GPIO_Port, pa5_Pin, GPIO_PIN_RESET);
	  HAL_Delay(50);
	  HAL_GPIO_WritePin(pa5_GPIO_Port, pa5_Pin, GPIO_PIN_SET);
	  HAL_Delay(50);
          ...

Соединяем PA5 с PA12 (TIM1_ETR) и прошиваем. Таймер будет тактироваться с частотой 10Гц, счётчик переполняется на значении 10 и генерирует прерывание — светик переключается раз в секунду.

Если хотите, можете использовать…



Так же этот режим можно использовать для подсчёта импульсов входящей частоты. Подробно это описано в статье про частотомер.


Про другие источники и способы тактирования таймера во второй части.

---

Теперь давайте познакомимся с каналами таймера.

У каждого таймера есть четыре независимых канала, которые могут подключаться к физическим пинам микроконтроллера, то есть работать как внешние входы/выходы, а могут и не подключаться, и работать как внутренние входы/выходы для взаимодействия с другими таймерами. У некоторых МК, например у F303, есть доп. каналы (5 и 6) не имеющие выхода наружу.

Поэкспериментируем с первым каналом в режиме выхода — Output Compare. В этом режиме можно устанавливать уровень (HIGH или LOW) на выводной пин. Уровень переключается в момент сравнения. В этот момент можно генерировать прерывание.

Удалите все прежние настройки таймера и сделайте так…


Указываем режим Output Compare для первого канала. Если в этом режиме не указывать источник тактирования, то по умолчанию используется системная частота таймера.



Здесь устанавливаем предделитель 7200, а переполнение 50000. Таким образом переполнение будет происходить каждые 5 сек.




Mode ⇨ Toggle on match — в момент сравнения, на пине PA8 (TIM1_CH1) будет происходить смена уровня с HIGH на LOW и наоборот. В данном режиме не важно какое указано сравнение, главное чтоб оно было больше нуля и меньше (или равным) переполнения (50000).



Pulse — здесь вписывается значение сравнения. В данном случае прерывание по сравнению будет происходить когда счётчик досчитает до 25000.

Сейчас сгенерируйте проект, подключите к PA8 светодиод, а в коде впишите (перед бесконечным циклом) команду…

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_OC_Start_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_1); // генерирует прерывание
//HAL_TIM_OC_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); // не генерирует прерывание
/* USER CODE END 2 */

Таймер запускается в режиме Output Compare для канала №1.

Прошейте и нажмите кнопочку Reset. Светодиод загорится через 2.5 секунды, то есть после того как счётчик досчитает до сравнения. Если же изменить полярность сигнала — CH Polarity ⇨ Low, то после Reset'а светик загорится сразу же, а погаснет через 2.5 секунды. То есть этот пункт позволяет выбрать — когда будет устанавливаться высокий уровень на линии, до сравнения или после.

CH Idle State — определяет логический уровень сигнала на выходе канала в состоянии ожидания (пока не трогайте).


Если нужно чтоб в момент сравнения генерировалось прерывание, то его нужно активировать…



А в программу добавить колбек…

void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	if(htim->Instance == TIM1)
	{
		HAL_GPIO_TogglePin(led13_GPIO_Port, led13_Pin);
		snprintf(trans_str, 31, "Compare %lu\n", __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim1));
		HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)trans_str, strlen(trans_str), 1000);
	}
}

Комплементарные выходы.

У каналов настроенных на выход есть дополнительные (комплементарные) выходы, которые выдают инвертированный сигнал…


Такие возможности есть не у всех каналов, только у первых трёх.

В режиме Output Compare CH1 CH1N будут активированы два пина — PA8 (TIM1_CH1) и PA7 (TIM1_CH1N). Когда на один пин подаётся сигнал HIGH, то на второй подаётся LOW. Буква N как бы намекает на negative (обратный)...




Для старта комплементарного канала есть своя команда — HAL_TIMEx_OCN_Start_IT(). Запуск обоих каналов выглядит так…

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_OC_Start_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIMEx_OCN_Start_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
/* USER CODE END 2 */

Комплементарные каналы описаны в файле — stm32f1xx_hal_tim_ex.c.


Комплементарный канал может работать самостоятельно…



Запуск:

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIMEx_OCN_Start_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
/* USER CODE END 2 */

Помимо этого, можно настроить канал без вывода на физический пин…


В этом режиме можно генерировать прерывание (и другие события) по сравнению.

Запуск:

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_OC_Start_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
/* USER CODE END 2 */

Колбек:

void HAL_TIM_OC_DelayElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	if(htim->Instance == TIM1)
	{
		HAL_GPIO_TogglePin(led13_GPIO_Port, led13_Pin);
	}
}

Последний пункт — Forced Output CHx…



На выход сразу же (независимо от значений переполнения и сравнения) подаётся сигнал указанный в пункте Mode (HIGH или LOW)…



Прерывания по сравнению продолжают работать. Запуск и колбек такие же как и у режима выше.

---

ШИМ (PWR) — это разновидность режима сравнения.

Про ШИМ в режиме DMA читайте здесь (потом, попозже).

Удалите всё что настроено и сделайте так…


Указываем режим PWM (ШИМ) для первого канала. Если в этом режиме не указывать источник тактирования, то по умолчанию используется системная частота таймера.



Предделитель по нулям, пущай жарит на всю катушку, а переполнение делаем 60000.




Pulse — в режиме ШИМ, сравнением мы устанавливаем коэффициент заполнения, то есть продолжительность высокого уровня (длина импульса). В данном случае коэффициент заполнения будет 50%. Если указать сравнение 15000, то коэффициент заполнения будет 25%.

CH Polarity ⇨ High — полярность сигнала. Если в режиме Output Compare при значении High светодиод загорался после перехода через сравнение, то в режиме PWR Generation всё наоборот, сначала подаётся высокий уровень, а после перехода через сравнение низкий. Полярность сигнала можно менять не только в этом пункте, но и в пункте Mode ⇨ PWM mode (см. ниже).


Таким образом у нас получается: период — 60000, а длина импульса — 30000. То есть мы получим вот такой ШИМ…

t — длина импульса.
T — период.

Период будет равен ~840мкс (на частоте 72мГц один тик таймера выполняется за ~14нс, значит 14 * 60000 = 840000нс = 840мкс).







В программе добавьте запуск ШИМа:

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_PWM_Start_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
/* USER CODE END 2 */

Светик будет гореть в полнакала.


Чтобы светик плавно разгорался и затухал, надо сделать так…

/* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_TIM_PWM_Start_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
  uint16_t i = 0;
  volatile uint16_t j = 0;
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
	  for(i = 0; i <= 60000; i++)
	  {
		  TIM1->CCR1 = i;
		  for(j = 0; j < 100; j++) __NOP();
	  }

	  HAL_Delay(500);

	  for(i = 60000; i > 0; i--)
	  {
		  TIM1->CCR1 = i;
		  for(j = 0; j < 100; j++) __NOP();
	  }

	  HAL_Delay(500);
          ...

Здесь ведётся работа напрямую с регистром сравнения первого канала (CCR1), увеличивая, а потом уменьшая его значение. То есть мы плавно меняем значение


Вместо работы с регистрами можно воспользоваться HALовскими макросами, например, в данном случае можно заменить строчки TIM1->CCR1 = i; на макрос __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, i);

Различные макросы можно посмотреть в файле stm32f1xx_hal_tim.h


Чтобы генерить прерывание в конце импульса, надо его включить…


То же самое что и в режиме Output Compare.

И ловить в колбеке…

void HAL_TIM_PWM_PulseFinishedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	if(htim->Instance == TIM1)
	{
		HAL_GPIO_TogglePin(led13_GPIO_Port, led13_Pin);
	}
}

Комплементарный ШИМ.



Канал работает с двумя выходами, обычным и комплементарным.



Переполнение оставьте прежним, сравнение (Pulse) укажите — 2000, ну и всё остальное тоже должно быть как на картинке.


Подключите к пину PA7 (TIM1_CH1N) ещё один светодиод, сгенерируйте проект, а в код добавьте запуск комплементарного канала…

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_PWM_Start_IT(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
/* USER CODE END 2 */

Светики будут гореть с разным накалом. Если в бесконечном цикле ничего не убирали, то светики будут разгораться и угасать в противофазе.

Если сделать так…

… то светики будут работать синхронно.


Комплементарную схему удобно использовать для управления всякими электродвигателями и прочим силовым оборудованием…


Те, кто этим занимается, знает больше меня, поэтому ничего добавлять не буду.


Продвинутые таймеры (TIM1 и TIM8) оснащены механизмом Break (защитное отключение выходных каналов таймера), который приводится в действие по сигналу от внешнего входа (TIMx_BKIN) или в случае обнаружения сбоев в системе тактирования микроконтроллера. С помощью этого механизма можно мгновенно перевести каналы в заранее определённое состояние. При этом сам по себе таймер продолжает работать.

Конфигурирование механизма Break…










Чтобы Break генерил прерывание, нужно его включить…



Перед бесконечным циклом активировать…

__HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim1, TIM_IT_BREAK);

И добавить колбек…

void HAL_TIMEx_BreakCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	if(htim->Instance == TIM1) 
	{
		HAL_GPIO_WritePin(led13_GPIO_Port, led13_Pin, GPIO_PIN_RESET);
	}
}

---

Use ETR as Clearing Source



У канала настроенного на выход и выдающего сигнал Output Compare или PWM Generation, есть опорный сигнал, который называется OC1REF (цифра определяет номер канала). На схеме это выглядит так…


Полностью схема таймера будет рассматриваться во второй части.

Сигнал OC1REF проходя жёлтый квадратик (это генератор dead time) расщепляется на два сигнала — прямой и инвертированный, а потом эти сигналы проходя через механизм включения/отключения каналов (голубенький квадратик) попадают на пины микроконтроллера.

Так вот, если включить ETR as Clearing Source, и на пин TIM1_ETR (PA12) подать кратковременный сигнал HIGH, то OC1REF тут же переключится в LOW, и будет оставаться таким до тех пор пока таймер не переполнится, то есть пока не произойдёт событие обновления. Если не убирать сигнал ETR, то OC1REF будет оставаться в LOW.





ETR as Clearing Source работает только в режимах Output Compare и/или PWM Generation. Ну и само собой нет возможности включить внешнее тактирование таймера (ETR2).


Когда будете экспериментировать, то можно воспользоваться предыдущим примером, только укажите предделитель 7200, а сравнение 20000, чтоб всё работало медленно и было понятно как срабатывает очистка. Светик на прямом выходе будет гаснуть, а на инвертированном загораться.

TIM1_ETR нужно подключать к «земле» напрямую, сигнал срабатывает когда отсоединяешь от «земли» (когда повиснет в воздухе), даже «плюс» можно не подавать. Во всяком случае так работает у меня на двух разных платах. То есть, на сколько я понимаю, нужно чтоб сигнал был сильный, не через подтягивающие резисторы.

---

One Pulse — режим одиночного импульса. Таймер досчитает до переполнения и остановиться.

Исправлено и дополнено 15.11.19.

Подача единичного импульса на примере ШИМ…


ARR — регистр переполнения.
CCRx — регистр захвата/сравнения (х — номер канала).
OCx — выходной импульс.


Для примера настроим четвёртый таймер…





Запускаем таймер в одноимпульсном режиме ШИМ…

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_PWM_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_2);
/* USER CODE END 2 */

Подключите светик к пину PB7 и прошейтесь. Поскольку у нас настроен режим PWM mode 2, то светик загорится после того как счётчик перевалит через значение сравнения. То есть светик загорится через две секунды после старта, а когда счётчик достигнет переполнения светик погаснет, а таймер остановится.

Если указать PWM mode 1, то светик загорится сразу при старте, потом погаснет (после того как счётчик перевалит через сравнение), а после того как счётчик переполнится светик загорится снова и уже не погаснет. Таймер опять же остановится.

В одноимпульсном режиме можно запускать таймер в различных режимах (запустить таймер как счётчик, или как Output Compare, и т.д). Важно! Чтоб таймер остановился, он должен обязательно досчитать до переполнения. Если он не досчитает, например вы будете где-то в середине счёта сбрасывать счётчик на ноль, то таймер будет продолжать работать.

Само собой всё это хозяйство может генерить прерывания по сравнению и переполнению. Включите их в Кубе (у четвёртого таймера оно одно на всё) и добавьте к командам окончание _IT.

В прерывании или где-нибудь в программе можно перезапускать импульс командой HAL_TIM_PWM_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_2), то есть нужно просто перезапустить таймер.


Важное дополнение. После очередного обновления библиотеки HAL, появилась необходимость вызова функции остановки таймера после того как он отработает. То есть, когда вы запускаете таймер в одноимпульсном режиме и потом хотите повторно его запустить, тогда прежде чем это сделать нужно его «остановить» вызвав функцию HAL_TIM_PWM_Stop(&htim4, TIM_CHANNEL_2).

Это связанно с тем, что в функции добавили условия HAL_TIM_STATE_READY и HAL_TIM_STATE_BUSY…





Из-за этого получается следующее: вы запустили таймер в одноимпульсном режиме, в структуру htim->State записался статус HAL_TIM_STATE_BUSY, таймер отработал и остановился, но, статус HAL_TIM_STATE_BUSY так и остался. Поэтому при повторной попытке запуска функция вернёт «занято». Чтобы всё работало, нужно перед запуском вызвать функцию остановки, которая изменит статус на HAL_TIM_STATE_READY.



Если запустить таймер в режиме Input Capture — захват (см. во второй части) и включить One Pulse, то таймер будет совершать захваты, но при этом счёт вестись не будет. То есть значение сравнения и переполнения отработают один цикл, а потом будут всегда равны нулю.

---

N-pulse waveform generation

Иногда случается ситуация когда нам нужно выдать с таймера несколько импульсов (PWM или Output Compare) и остановится (остановить таймер). Конечно же можно запустить/остановить таймер несколько раз вручную, но есть более изящное, аппаратное, решение, в котором нам поможет Repetition Counter (описан в самом начале) и режим One Pulse.

Для примера настроим таймер №1 как Output Compare в режиме One Pulse…


На ножку РА8 подключите светик.


Предделитель (7199) и переполнение (5000) делаем так чтоб светик не очень быстро мигал, Repetition Counter указываем 3, режим Output Compare устанавливаем Toggle on match, и длину импульса прописываем 2000.

Запускаем таймер перед бесконечным циклом…

HAL_TIM_OC_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);

В результате светик мигнёт два раза, и таймер остановиться. Если бы мы указали Repetition Counter равным нулю, то светик бы просто загорелся, если 1, то мигнул один раз. Максимальное значение, которое можно записать в Repetition Counter — 255, то есть можно мигнуть 255 раз.

То же самое можно сделать в режиме PWM Generation, то бишь ШИМ…

HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);

---

Замечание про прерывания.

У Advanced-control timers есть отдельные прерывания для разных событий…



А у более простых таймеров (General-purpose и Basic) одно (глобальное) прерывание для всех событий…



То есть, когда вам нужно ловить прерывание по переполнению, или при захвате, или ещё по какому-то событию, то просто включаете глобальное прерывание, а колбеки прописываете те же, что и в примерах выше.

---

Ну вот, мы познакомились с относительно простыми функциями таймера — дальше будет посложнее. Тем не менее статья получилась не маленькая, а ещё писать и писать, поэтому продолжение во второй части.


Это всё, всем спасибо


Вторая часть.

И да, прочтение статьи не отменяет изучения официальной документации. Обязательно читайте Reference manual для вашего МК и…

General-purpose timer cookbook AN4776.

Using STM32 device PWM shut-down features for motor control and digital power conversion — AN4277

Presentation on the STM32 timers



Телеграм-чат istarik

Телеграм-чат STM32