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灵动微电子 · 2022年12月22日 · 北京市

灵动微课堂 ｜MM32F5270 TIM 精准脉冲数量输出

IoT”星辰“CPU

脉冲信号用于设备控制是比较常见的，但在一些情况下，我们希望精准的控制脉冲的数量以实现对运动的精确控制，实现的方式也有多种多样。定时器是单片机内部最基础且常用的外设，有着非常丰富的功能，如输入功能（测量输入信号的脉冲宽度、频率，PWM 输入等），输出功能（PWM 输出、死区时间可编程的互补输出、 单脉冲模式输出等） ，容易想到使用定时器输出PWM来实现此类操作。

MM32F5270系列集成有丰富的外设模块，其中定时器部分包括 2 个 16 位高级定时器， 2 个 16 位通用定时器、 2 个 32 位通用定时器， 2 个 16 位基础定时器和1 个低功耗定时器。以TIM1为例，该模块主要由输入单元、输出单元、时基单元、捕获/比较模块、刹车单元等结构组成，功能框图如下：

image.png

这里以MM32F5270定时器应用为例，介绍几种常用的精准输出脉冲数量的方法：

1► 中断计数方式

定时器配置为PWM输出模式，在PWM中断程序中计数，判断PWM输出次数达到设定值时，停止PWM输出。

中断计数的方式实现起来简单，但也存在明显的缺点。当PWM频率较高时，频繁的中断将影响程序运行的效率，占用大量的MCU资源，这在大多数情况下是不可接受的。以下几种方式较为优化。

2► 定时器单脉冲重复计数

定时器单脉冲输出是定时器比较输出中的一种模式，在定时器比较输出模式的基础上进行配置。单脉冲模式（OPM）下，计数器响应一个激励，产生一个脉宽可调的脉冲。配置 TIMx_CR1 寄存器的OPM=1，选择单脉冲模式。
image.png
单脉冲模式可以使定时器输出1个脉冲，而重复计数器可以用来调整更新事件产生的频率。

边沿对齐模式下，向上计数时，重复计数器在计数器每次上溢时递减；向下计数时，重复计数器在计数器每次下溢时递减。中央对齐模式下，重复计数器在计数器上溢和下溢时皆递减。通过配置 TIMx_RCR 寄存器的 REP 来调整更新事件产生的频率，重复计数器在 REP+1 个计数周期后产生更新事件。
image.png
配置TIM1输出PWM，使能单脉冲模式，配置REP（重复计数器的值）为9，即TIM1在输出10个脉冲后发生更新事件，相关代码如下：

void TIM1_Monopulse_Init(u16 arr, u16 psc)  
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStruct;
    TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStruct;
    TIM_ICInitTypeDef  TIM_ICInitStruct;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2ENR_TIM1, ENABLE);
    TIM_DeInit(TIM1);
    TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStruct);
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = arr;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = psc;  
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;  
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_RepetitionCounter = 9; 
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; 
    TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStruct);

    TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStruct);  
    TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;  
    TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;  
    TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = arr / 2; 
    TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;  
    TIM_OCInitStruct.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;
    TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStruct); 
    TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); 
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE);    
    TIM_SelectOnePulseMode(TIM1, TIM_OPMode_Single);  
    TIM_SetCounter(TIM1, 0);
    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);  

    TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); 
}

逻辑分析仪接PA8（程序中配置PA8作为TIM1_CH1），观测输出波形如下：

image.png

由于REP只有8位，所以它最大是255，当然也可以进行一些判断后再次赋值，目前只有高级定时器具有重复计数功能。

3► DMA方式

使用DMA功能更新PWM的输出，DMA传输将数据从一个地址空间复制到另一个地址空间，提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于MPU的大量中断负载。该方式占用很少的MCU资源，实现脉冲发送的精确控制。

通过设置DMA传输数据的数量，可以控制发送的脉冲数。通过设置不同的装载值和顺序，可以使用不同频率和脉宽。

TIMx_DCR 和 TIMx_DMAR 寄存器跟 DMA 模式相关。DMA 控制器的目标是唯一的，必须指向TIMx_DMAR 寄存器。开启 DMA 使能后，在给定的 TIMx 事件发生时， TIMx 会给 DMA 发送请求。对TIMx_DMAR 寄存器的每次写操作都被重定向到一个 TIMx 寄存器。

TIMx_DMAR  连续模式 DMA 地址寄存器：
image.png
TIMx_DCR  DMA 控制寄存器：
image.png
程序中配置TIM1的更新周期为10ms。

TIM1_PWM_Init(10000 - 1, SystemCoreClock / 1000000 - 1);

定义一个数组，元素的数量表示可以控制发送的脉冲数，元素的值表示脉宽。

static u16 data[10] = {1000,2000,3000,4000,5000,6000,7000,8000,9000,0}; 

配置TIM1输出PWM，相关代码同上，使能COM的DMA请求，配置DMA初始化，使能DMA传输完成中断，TIM1_CH1对应DMA1_Channel2。

void TIM1_DMA_Init(void)
{
    DMA_InitTypeDef  DMA_InitStruct;
    DMA_Channel_TypeDef* channel;
    channel = DMA1_Channel2;
    RCC_DMA_ClockCmd(DMA1, ENABLE);

    DMA_DeInit(channel);
    DMA_StructInit(&DMA_InitStruct);
    //Transfer register address
    DMA_InitStruct.DMA_PeripheralBaseAddr    = (u32) & (TIM1 ->CCR1);
    //Transfer memory address
    DMA_InitStruct.DMA_MemoryBaseAddr        = (u32)data;
    //Transfer direction, from memory to register
    DMA_InitStruct.DMA_DIR                   = DMA_DIR_PeripheralDST;
    DMA_InitStruct.DMA_BufferSize            = 10;
    DMA_InitStruct.DMA_PeripheralInc         = DMA_PeripheralInc_Disable;
    //Transfer completed memory address increment
    DMA_InitStruct.DMA_MemoryInc             = DMA_MemoryInc_Enable;
    DMA_InitStruct.DMA_PeripheralDataSize    = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStruct.DMA_MemoryDataSize        = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStruct.DMA_Mode                  = DMA_Mode_Normal;//DMA_Mode_Circular;
    DMA_InitStruct.DMA_Priority              = DMA_Priority_High;
    DMA_InitStruct.DMA_M2M                   = DMA_M2M_Disable;
    DMA_InitStruct.DMA_Auto_reload = DMA_Auto_Reload_Disable;
    DMA_Init(channel, &DMA_InitStruct);

    DMA_ITConfig(channel, DMA_IT_TC, ENABLE);
    DMA_Cmd(DMA1_Channel2, ENABLE);
}

DMA中断服务子程序：

void DMA1_Channel2_IRQHandler(void)
{
    if (DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TC2)) {
        DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TC2);
        TIM_Cmd(TIM1, DISABLE);
    }
}

逻辑分析仪接PA8（程序中配置PA8作为TIM1_CH1），观测输出波形如下：
image.png
输出9个脉冲，脉宽分别为10%、20%、30%......90%。

DMA方式算是一个很确定的方式，不会丢失脉冲。当需要发送较多数量的脉冲时，则可以使用DMA传输完成中断中切换DMA传输的数据起始地址及发送数量。

4► 主从模式

定时器同步功能可以配置多个定时器在内部相连。

利用定时器的主从模式，即一个是主定时器，一个是从定时器，由主定时器输出脉冲信号，主定时器产生的更新触发传递给从定时器进行计数，溢出时触发从定时器的中断服务函数。通过主从定时器进行设定，不占用主程序时钟，且能精准控制。

主从关系要遵循参考手册中所提供的配置，TIMx之间的互联：
image.png
参考TIMx_CR2和TIMx_SMCR寄存器配置主从模式。

TIMx_CR2 控制寄存器 2：

image.png

TIMx_SMCR 从模式控制寄存器：

image.png

image.png
配置TIM1为主模式，输出PWM：

void TIM1_Master_Init(u16 arr, u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStruct;
    TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStruct;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2ENR_TIM1, ENABLE);

    TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStruct);
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = arr;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = psc;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStruct);

    TIM_OCStructInit(&TIM_OCInitStruct);
    TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;
    TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStruct.TIM_Pulse = 499;
    TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStruct);

    TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE);
    TIM_SelectMasterSlaveMode(TIM1, TIM_MasterSlaveMode_Enable);   
    TIM_SelectOutputTrigger(TIM1, TIM_TRIGSource_Update);

    TIM_SetCounter(TIM1, 0);
    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);
}

配置TIM3为从模式，选择ITR0触发（对应内部触发源TIM1），使能更新中断：

void TIM3_Slave_Init(u16 arr, u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStruct;
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1ENR_TIM3, ENABLE);

    TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStruct);
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = arr;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = psc;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStruct);

    TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, DISABLE);

    TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_ITR0);  
    TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_External1);
    TIM_SelectMasterSlaveMode(TIM3, TIM_MasterSlaveMode_Enable);

    TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);
    TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE);

    TIM_SetCounter(TIM3, 0);
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

TIM3控制脉冲数量，此处设置为10：

TIM3_Slave_Init(10, 0);

TIM3中断服务子程序：

void TIM3_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update);    
        TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, DISABLE);
        TIM_Cmd(TIM1, DISABLE);
        TIM_Cmd(TIM3, DISABLE);
        TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, DISABLE);
    }
}

逻辑分析仪接PA8（程序中配置PA8作为TIM1_CH1），观测输出波形如下：

image.png

TIM1输出10个脉冲后停止。

以上简要列举了几种控制脉冲数量输出的方式，以MM32F5270为例演示其实现的可行性。在实际应用中，几种方法各有优缺点，具体的方式还需要根据资源和需求进行综合考虑。

作者：灵动MM32
文章来源：灵动MM32MCU

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