STM32定时器系列 - STM32定时器输出比较

STM32 定时器除了基本计数定时功能外，还对外扩展了输入、输出通道，从而可以实现输入捕获、比较输出功能。

比较输出[Compare Output]功能：定时器通过对预设的比较值与定时器的值做匹配比较之后，并依据相应的输出模式从而实现各类输出。如PWM输出、电平翻转、单脉冲模式、强制输出等。一般来说，STM32的通用定时器和高级定时器都具有比较输出功能，不同的定时器可能通道数量上有差异。

或者，我们可以使用比较输出功能来感知或提示某个时间段已经过去了。因为比较输出的基本特征是计数器CNT的值与比较寄存器CCR的值作比较，计数器数据变化意味着时间流逝，当计数器记到与比较值相等或向匹配时，也就表示相应时间段的过去。

具体应用到STM32定时器，在比较输出模式下，当捕获比较单元监测到计数器CNT的值与CCR寄存器值数字相等时，将根据相应的输出比较输出模式实现相应输出。比较输出功能主要靠捕获比较单元实现，同时定时器输出单元与时基单元协同配合。

捕捉比较单元有个重要的寄存器，捕捉比较寄存器CCR ，它由影子寄存器/预装载寄存器组成。用户访问时，访问预装载寄存器。预装载功能可以开启或关闭。由OCxPE@TIMx_CCMR控制。
需要修改的预装数据立即生效时将预装功能关闭。
需要修改的数据不影响当前周期的计数或波形输出时，我们就打开其预装功能。

比较输出流程：

捕获/比较通道的输出部分(通道1至3)

当定时器的比较输出单元检测到计数器CNT的值与捕获比较寄存器CCR的值发送匹配事件时，定时器的比较输出单元会根据比较输出模式输出相应的信号，该信号我们称之为 中间参考信号，即OCxREF。

该OCxREF源与输出模式控制器，并硬件约定高电平为有效电平 它经过极性选择后，在经过输出控制电路输出到到管脚。当极性选择位 CCxP = 0 时。高电平为OCx的有效输出电平，当CCxP = 1时，低电平作为OCx的有效输出。

也就是说：OCxREF 信号只是一个中间参考信号，并非最终输出信号，最终输出端OCx的 Active state【有效状态】/ inactive state【无效状态】所对应的电平取决于极性选择控制位CCxp/CCxNP。

也就是最终的输出需要由2个信号来控制，一个是 OCxREF中间参考信号，用来确定有效信号和与无效信号，另一个CCxP用来控制，有效信号或者无效信号的高电平和低电平。


总结为一张表：

比较输出事件：

• 当核心计数器的值CNT与比较寄存器CCR 的数值匹配时发生比较输出事件
• 相应通道的比较输出标志位CCxIF@TIMx_SR被置位
• 触发比较中断 （如果CCxIE@TIMx_DIER被置位使能）
• 触发DMA请求 （CCxDE@TIMx_DIER CCDS@TIMx_CR2 使能允许）
• 比较输出事件也可以软件方式产生。通过操作TIMx_EGR@CCxG位来实现

对于这些比较输出有关的事件，我们需要做到心中有数。因为在我们定时器中，往往需要基于相关事件来开展我们的应用开发。比如基于比较输出事件，做脉冲波形频率或占空比的变更、做脉冲个数的统计、做DMA的请求等等。。

另外，TIMx_CCRx寄存器能够在任何时候通过软件进行更新以控制输出波形，条件是未使用预装载寄存器(OCxPE=’0’，否则TIMx_CCRx的影子寄存器只能在发生下一次更新事件时被更新)。
下图给出了一个例子。

输出比较模式预览

总的来讲，这几个比较输出模式，我们有必要对它们的各自输出特征做基本了解，它是我们做比较输出应用时的基础。比方不同比较输出模式，结合不同的计数模式，相应的输出特征是什么。

边沿对齐PWM输出波形示例【Up Counting + PWM mode1】：

以下以PWM模式1为例。只要 TIMx_CNT < TIMx_CCRx。PWM的参考信号 OCxREF便为高电平，否则为低电平。
如果 TIMx_CCRx中的比较值大于自动重装载值（TIM_ARR中），则OCxREF保持为“1”，如果比较值为“0”，则OCxREF保持为“0”。

中心对齐PWM输出波形示例【Center aligned Mode + PWM1】

PWM输出频率计算：

定时器比较输出最常见的应用就是PWM输出，即脉宽调制输出。这里简单介绍下PWM输出波形参数的计算。

以计数器向上计数、PWM1为例：

PWM输出方波信号，信号的频率有TIMx的计数时钟频率和TIMx_ARR这个寄存器决定。输出信号的占空比由TIMx_CRRx寄存器和TIMx_ARR寄存器的值所决定。
占空比 = （TIMx_CRRx / (TIMx_ARR+1)）* 100%。
频率 = CK_PSC / ((PSC + 1) * (ARR + 1)。

单脉冲模式

单脉冲模式（OPM）是上述模式的一个特例，在这个模式下，计数器可以在一个激励信号的触发下启动，并且可在一段可编程的延时后产生一个脉宽可编程的脉冲。

可以通过从模式控制器启动计数器。可以在输出比较模式或PWM模式下生成波形，将 TIMx_CR1 寄存器中的 OPM 位置1，既可以选择单脉冲模式。这样发，发生下一次更新事件 UEV时，计数器将自动停止。

只有当比较值与计数器初始值不同时，才能正确产生一个脉冲。启动前（定时器等待触发时），必须如下配置：

• 递增计数模式下：CNT<CCRxARR（特别注意，0<CCRx）
• 递减计数模式下：CNT>CCRx

原理：

计数器启动后，在下一个更新事件来临之前的时间段内实现固定个数的脉冲输出。当下一个更新事件来临时计数器停止计数。输出的脉冲个数可以一个或几个。如果是通用计数器就是1个，如果是高级定时器，脉冲个数与RCR数值和计数模式有关。

实现方式

使用OC比较输出或PWM输出模式。

启动

计数器的启动可以通过自身软件使能启动，也可以将定时器配置在触发从模式经过触发启动。

例如：你需要在从TI2输入脚上检测到一个上升沿开始，延迟tDELAY之后，在OC1上产生一个长度为tPULSE的正脉冲。
假定TI2FP2作为触发1:

• 置TIMx_CCMR1寄存器中的CC2S=01，把TI2FP2映像到TI2。
• 置TIMx_CCER寄存器中的CC2P=0，使TI2FP2能够检测上升沿。
• 置TIMx_SMCR寄存器中的TS=110，TI2FP2作为从模式控制器的触发(TRGI)。
• 置TIMx_SMCR寄存器中的SMS=110(触发模式)，TI2FP2被用来启动计数器。 OPM的波形由写入比较寄存器的数值决定(要考虑时钟频率和计数器预分频器)
• tDELAY由TIMx_CCR1寄存器中的值定义。
• tPULSE由自动装载值和比较值之间的差值定义(TIMx_ARR - TIMx_CCR1)。
• 假定当发生比较匹配时要产生从0到1的波形，当计数器达到预装载值时要产生一个从1到0的波形；首先要置TIMx_CCMR1寄存器的OC1M=111，进入PWM模式2；根据需要有选择地使能预装载寄存器：置TIMx_CCMR1中的OC1PE=1和TIMx_CR1寄存器中的ARPE；然后在TIMx_CCR1寄存器中填写比较值，在TIMx_ARR寄存器中填写自动装载值，设置UG位来产生一个更新事件，然后等待在TI2上的一个外部触发事件。本例中，CC1P=0。

在这个例子中，TIMx_CR1寄存器中的DIR和CMS位应该置低。
因为只需要一个脉冲，所以必须设置TIMx_CR1寄存器中的OPM=1，在下一个更新事件(当计数器从自动装载值翻转到0)时停止计数。

比较输出应用时的几个注意点

1. 高级定时器相比通用定时器，它增加了主输出使能控制位，【MOE@timx_bdtr】,如果该位置零的话，此时OCx端没有波形输出；

2. 高级定时器相比通用定时器，它增加了刹车控制机制，BKE@timx_bdtr】,如果使能了刹车控制并触发有效刹车电平，此时OCx端没有波形输出；

3. 高级定时器相比通用定时器，使用互补输出时增加了死区插入机制，【DTG@timx_bdtr】,若插入的死区时间过大，当超过有效输出电平宽度时，会导致OCx/OCxN一端或两端没有变化的波形输出；

5. 高级定时器的互补输出在OCxREF出来后、在极性选择之前，二者是互补的，经过极性选择后是否互补取决于两互补通道的极性选择。极性的选择最终由实际驱动电路需求决定的。

6. 定时器的所有输出通道可以独立自由设置，如禁用/开启、输出模式选择、极性安排等。但高级定时器的做互补输出时，他们共用相同输出模式和CCR值。

7. 对于通用定时器的Ocx通道，当使能该通道时，Ocx输出=OCxREF+极性；当禁用该通道时，Ocx的输出=0。

8. 对于高级定时器Ocx/OCxN互补通道，没法同时实现实现有效输出。注意区分有效电平、无效电平与最终输出端的高、低电平。

9. 对于高级定时器来说，Ocx/OCxN的输出除了跟输出使能位有关外，跟其它多个控制位【MOE/OSSI/OSSR/CCxP/CCxNP】有关。各个系列的STM32参考手册中有个Ocx/OcxN互补通道输出控制表格可以查看。