4. 定时器基础与PWM输出：让硬件“动”起来

各位同学，欢迎来到第四章。前几章我们把GPIO、中断、串口这些基础外设都过了一遍。从这一章开始，我们要接触一个在嵌入式世界里无处不在的东西——定时器。

说实话，我刚学STM32那会儿，觉得定时器不就是个“倒计时”嘛，有啥好学的？后来做项目才发现，定时器远比你想象的复杂，也远比你想象的强大。尤其是PWM输出，这几乎是控制类项目的标配——舵机、电机、LED呼吸灯、甚至音频输出，都离不开它。

这一章，我们就从通用定时器入手，一步步把它搞明白，然后亲手配置一个PWM输出，驱动舵机转起来，或者让LED呼吸起来。

4.1 定时器是个啥？——从“心跳”说起

你可以把定时器想象成MCU内部的一个“独立心跳”。它有自己的时钟源，可以独立于CPU运行。你告诉它：“每过1毫秒，你通知我一声。”然后它就会准时给你发中断，或者自动翻转一个引脚电平。

STM32的定时器家族很庞大，但最常用的是这三类：

类型	定时器编号	主要特点	典型用途
基本定时器	TIM6、TIM7	只有基本定时功能，无外部引脚	产生时基、触发DAC
通用定时器	TIM2~TIM5	有4个独立通道，支持输入捕获、输出比较、PWM	PWM输出、脉冲计数、编码器接口
高级定时器	TIM1、TIM8	在通用基础上增加互补输出、死区插入、刹车功能	电机控制、三相逆变、开关电源

我们这一章重点讲通用定时器。它功能最均衡，也最常用。我个人习惯，但凡不是特别复杂的电机控制场景，都用通用定时器搞定。

4.2 通用定时器的核心寄存器

要玩转定时器，你得先认识几个关键寄存器。别怕，不多，就四个：

• PSC（预分频器）：把定时器的输入时钟分频。比如72MHz的时钟，你设PSC=71，就变成1MHz。
• ARR（自动重装载寄存器）：决定定时器计数的上限。计数器从0数到ARR，然后归零重新开始。
• CNT（计数器）：当前计数值，只读。
• CCRx（捕获/比较寄存器）：每个通道一个，用于设定比较值。当CNT == CCRx时，触发动作。

嗯，这里要注意：PSC和ARR的值都是实际值减1。比如你想分频72倍，PSC要写71；你想计数1000次，ARR要写999。这个坑我刚开始踩过好几次，后来养成了习惯，每次写之前都心里默念一遍“减一”。

4.3 PWM输出原理——说白了就是“占空比”

PWM，全称Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制。说白了，就是让一个方波的高电平时间占总周期的比例可调。这个比例就叫占空比。

在通用定时器里，PWM是这样工作的：

1. 计数器CNT从0开始，向上计数到ARR。
2. 每个计数周期内，CNT与CCRx比较一次。
3. 当CNT < CCRx时，输出高电平；当CNT ≥ CCRx时，输出低电平。
4. 下一个周期开始，重复上述过程。

你想想看，改变CCRx的值，不就改变了高电平的宽度吗？占空比 = CCRx / (ARR + 1)。

我曾经在一个项目中，需要用PWM控制一个微型气泵的转速。当时没注意ARR和CCRx的匹配关系，导致占空比非线性，气泵转速忽快忽慢。后来排查了半天，才发现是ARR设得太小，CCRx的调节范围不够。从那以后，我设计PWM时都会先算好ARR，再定CCRx。

4.4 实战：配置PWM驱动舵机

好了，理论讲完了，咱们直接上手。我选一个最常见的场景——舵机控制。舵机一般需要50Hz的PWM信号，也就是周期20ms。占空比在5%~10%之间，对应0°~180°的旋转角度。

先算参数：定时器时钟72MHz，目标频率50Hz，周期20ms。

• 设PSC=71，得到1MHz的计数频率。
• 要得到50Hz，ARR+1 = 1,000,000 / 50 = 20,000，所以ARR=19999。
• 0°对应占空比5%：CCR = 20000 × 5% = 1000。
• 180°对应占空比10%：CCR = 20000 × 10% = 2000。

下面是完整的初始化代码。我用的是STM32F103系列，TIM2的通道1，引脚PA0。

// 定时器PWM初始化函数
void TIM2_PWM_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    
    // 1. 使能时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 2. 配置PA0为复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // 3. 配置定时器时基
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;        // 72MHz / 72 = 1MHz
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 19999;        // 1MHz / 20000 = 50Hz
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 4. 配置PWM模式1
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 1500;            // 初始占空比：7.5%，对应90°
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
    
    // 5. 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

// 设置舵机角度函数
void Servo_SetAngle(uint16_t angle)
{
    // angle: 0~180
    // 映射到CCR值：1000~2000
    uint16_t pulse = 1000 + (uint16_t)((uint32_t)angle * 1000 / 180);
    TIM_SetCompare1(TIM2, pulse);
}

4.5 进阶：用PWM实现LED呼吸灯

舵机搞定了，咱们再来个更直观的——LED呼吸灯。原理很简单：让PWM的占空比从0%逐渐增加到100%，再逐渐减小到0%，循环往复。

这里有个关键点：人眼对亮度的感知不是线性的。如果你让占空比线性变化，看起来会感觉亮得很快、暗得很慢。所以，我一般会用指数曲线或者查表法来映射。

下面是一个简单的呼吸灯实现，用定时器中断来更新占空比：

// 呼吸灯参数
#define BREATHE_PERIOD 2000    // 一个完整呼吸周期2秒
#define PWM_MAX 999            // ARR值

uint16_t breathe_step = 0;
uint8_t breathe_dir = 1;       // 1: 变亮, 0: 变暗

// 定时器中断服务函数（假设TIM3每1ms触发一次）
void TIM3_IRQHandler(void)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);
        
        breathe_step++;
        if(breathe_step >= BREATHE_PERIOD)
        {
            breathe_step = 0;
            breathe_dir = !breathe_dir;
        }
        
        // 计算占空比，使用正弦曲线使呼吸更自然
        float rad = (float)breathe_step / BREATHE_PERIOD * 3.14159f;
        uint16_t pulse;
        if(breathe_dir)
            pulse = (uint16_t)(sinf(rad) * PWM_MAX);
        else
            pulse = (uint16_t)(sinf(rad + 3.14159f) * PWM_MAX);
        
        TIM_SetCompare1(TIM3, pulse);
    }
}

4.6 常见问题与避坑指南

做PWM项目时，有几个坑我几乎每次都会遇到，分享给大家：

• 引脚复用功能没开：GPIO配置成复用推挽输出后，还要确保AFIO时钟使能，并且引脚重映射正确。我见过有人配了半天没波形，最后发现是引脚映射错了。
• 预装载寄存器没使能：TIM_OC1PreloadConfig()这个函数容易被忽略。如果不使能预装载，CCRx的更新可能会在计数周期的任意时刻生效，导致输出波形出现毛刺。
• ARR和CCRx的匹配：CCRx的值不能超过ARR，否则PWM会一直输出高电平或低电平。建议在代码里加一个限幅判断。
• 高级定时器的刹车功能：如果你用的是TIM1或TIM8，默认刹车输入引脚可能是高电平有效，如果不小心拉高了，PWM输出会被强制关闭。我第一次用TIM1时就被这个坑了半小时。

4.7 本章小结

这一章我们干了三件事：理解了通用定时器的工作原理，学会了PWM输出的配置方法，然后用两个实战案例——舵机和呼吸灯——把知识落地了。

说实话，定时器和PWM是嵌入式开发里非常基础但又极其重要的技能。你后面做电机控制、电源管理、音频播放，甚至RTOS的时钟节拍，都离不开它。所以，我建议你花点时间把这一章的代码亲手敲一遍，用示波器或者逻辑分析仪看看波形，感受一下占空比变化时波形的实际变化。

嗯，这一章就到这里。代码我已经放在课程配套的例程包里了，大家去下载练习。有问题随时在群里问我。