4. 定时器与PWM输出

在STM32的智能终端产品中，定时器是最“忙碌”的外设之一：它既负责产生精确的时间基准，又负责输出PWM波形驱动LED调光、蜂鸣器发声、电机调速。理解定时器的分类与PWM生成机制，是嵌入式图形界面产品实现声光反馈的基础。本节从定时器结构出发，逐步落到呼吸灯与蜂鸣器两个典型应用。

一、STM32定时器的分类与能力边界

STM32F1系列通常包含基本定时器（TIM6、TIM7）、通用定时器（TIM2~TIM5）和高级定时器（TIM1、TIM8）。三者的核心差异在于功能丰富度：

• 基本定时器：只有计数器和自动重装载寄存器，能产生更新中断和触发DAC，没有外部引脚输出，适合做纯定时任务。
• 通用定时器：在基本定时器基础上增加输入捕获、输出比较、PWM输出、编码器接口，拥有4个独立通道，是呼吸灯和蜂鸣器驱动的主力。
• 高级定时器：在通用定时器基础上增加互补输出、死区插入、刹车输入，面向电机控制，本节的简单应用暂不涉及。

选择原则很直接：只需要定时中断就用基本定时器；需要引脚输出波形就用通用定时器；需要驱动三相桥或带死区互补信号才用高级定时器。

二、定时器的时间基准：从时钟到周期

定时器的核心是一个向上计数的计数器CNT，它从0累加到自动重装载寄存器ARR的值，然后溢出并重新开始。计数速度由预分频器PSC决定。若定时器时钟为72MHz，PSC=71，则计数频率为72MHz/(71+1)=1MHz，即每1μs计数一次。此时若ARR=999，则溢出周期为(999+1)×1μs=1ms，对应1kHz的更新频率。

这个关系可以写成两个公式：

计数频率 f_CNT = f_TIM / (PSC + 1)
溢出周期 T = (ARR + 1) / f_CNT = (ARR + 1) × (PSC + 1) / f_TIM

PWM模式下，ARR决定PWM周期，比较寄存器CCR决定高电平时间，占空比 = CCR / (ARR + 1)。例如ARR=999、CCR=300时，占空比为30%。改变CCR即可改变亮度或音调，而无需改动ARR。

三、PWM模式配置的关键步骤

以TIM3通道1（PA6）输出PWM为例，配置流程如下：

1. 使能TIM3和GPIOA时钟，将PA6配置为复用推挽输出。
2. 设置PSC和ARR，确定PWM频率。若目标频率为1kHz，取PSC=71、ARR=999。
3. 将通道1配置为PWM模式1（OC1M=110），使能预装载（OC1PE=1），这样CCR的修改在更新事件时生效，避免波形出现毛刺。
4. 设置初始CCR值，调用TIM_Cmd使能定时器，再调用TIM_CtrlPWMOutputs（高级定时器需要，通用定时器可省略）。

需要特别注意的是：修改CCR时若未使能预装载，新值会立即写入，可能导致当前周期出现异常窄脉冲。对于呼吸灯这种连续调光的场景，建议开启预装载，让亮度变化平滑。

四、呼吸灯实现：用CCR做渐变

呼吸灯的本质是让LED的亮度按正弦或三角规律缓慢变化。由于人眼对亮度感知近似对数关系，直接线性改变CCR会显得“中间亮、两头变化快”，实际产品中常用查表法或指数曲线修正。

一个简单可行的实现思路是：在1ms的定时中断中维护一个方向变量，每次让CCR加1或减1，到达0或999时翻转方向。这样呼吸周期约为2秒。示例代码片段：

// 1ms 定时中断内
static int16_t ccr = 0;
static int8_t  dir = 1;
ccr += dir;
if (ccr >= 999) { ccr = 999; dir = -1; }
if (ccr <= 0)   { ccr = 0;   dir = 1;  }
TIM_SetCompare1(TIM3, ccr);

观察结果时，用示波器看PA6引脚，应看到占空比从0%缓慢升到100%再降回0%的连续波形；用肉眼观察LED，应呈现均匀的明暗呼吸，而不是跳变。若发现亮度变化集中在两端，说明需要改用正弦表或伽马校正。

五、蜂鸣器驱动：频率决定音调

蜂鸣器分有源和无源两种。有源蜂鸣器内部自带振荡电路，给高电平就响，音调固定；无源蜂鸣器需要外部提供方波，频率决定音调。智能终端产品中常用无源蜂鸣器实现按键音、报警音等不同提示音。

驱动无源蜂鸣器时，PWM频率应设置在2kHz~4kHz之间，这是人耳最敏感的频段。例如要发出2.7kHz的提示音，取PSC=0、ARR=26666（72MHz/26666≈2.7kHz），占空比设为50%即可获得最大响度。若要播放不同音调，只需在定时中断中按节拍切换ARR值。

六、参数选择与常见问题

最后强调一个工程习惯：在图形界面产品中，呼吸灯和蜂鸣器往往与UI刷新、触摸检测共存。建议把PWM更新放在定时中断里完成，主循环只负责设置目标亮度和音调，避免在UI线程中直接操作CCR造成时序抖动。这样既保证了声光反馈的实时性，也不会拖慢界面响应。