Таймеры: прерывание по переполнению и ШИМ

Откуда частота таймера

TIM2–TIM4 сидят на шине APB1. После урока 4 она работает на 36 МГц, потому что предел APB1 — 36 МГц. Но таймеры получают не 36, а 72 МГц: по разделу 7.2 RM0008 (с. 94), если делитель шины APB не равен 1, частота таймеров на ней вдвое выше частоты шины. Эту деталь легко пропустить и получить таймер, который идёт вдвое быстрее расчёта. Тактирование таймера включают в RCC_APB1ENR: биты TIM2EN и TIM3EN.

Делитель PSC и перезагрузка ARR

Тактовый сигнал таймера проходит через делитель PSC: частота счёта CK_CNT = fCK_PSC / (PSC + 1) (разд. 15.4.11), то есть делить можно на 1–65 536. В режиме счёта вверх счётчик CNT идёт от 0 до значения ARR, затем начинает снова с нуля и формирует событие обновления — UEV (разд. 15.3.2, с. 369). Отсюда частота событий:

f = fTIM / ((PSC + 1) × (ARR + 1))

Для TIM2 и двух событий в секунду (расчёт наш): PSC = 7199 даёт 72 МГц / 7200 = 10 кГц, ARR = 4999 — 10 кГц / 5000 = 2 Гц. Пар PSC и ARR с одним произведением обычно много; подобрать их для любой частоты и сразу увидеть погрешность поможет калькулятор таймера МК.

Регистры PSC и ARR буферизованы. Новое значение PSC начинает действовать только со следующего события обновления (разд. 15.3.1), ARR — тоже, если включена предзагрузка ARPE. При первом запуске события ещё не было, поэтому программа вызывает его сама — записью бита UG в TIMx_EGR. Побочный эффект: UG тоже ставит флаг UIF (разд. 15.4.5, при URS = 0), так что флаг после UG нужно сбросить, иначе прерывание сработает сразу после разрешения.

Прерывание TIM2 по переполнению

Флаг UIF в TIMx_SR имеет тип rc_w0: бит сбрасывается записью нуля, запись единицы ничего не меняет (разд. 2.2 RM0008). Поэтому флаг сбрасывают так:

TIM2->SR = ~TIM_SR_UIF;     /* 0 into UIF, 1 (no effect) into the other flags */

а не TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF. Чтение-изменение-запись здесь опасно: если между чтением и записью таймер поставит другой флаг, например CC1IF, запись прочитанного нуля сбросит и его. Запись единиц во все остальные биты ни на что не влияет — так же сбрасывает флаги макрос __HAL_TIM_CLEAR_FLAG из HAL.

Прерывание по обновлению разрешает бит UIE регистра TIMx_DIER, а в NVIC — TIM2_IRQn = 28, позиция 28 таблицы векторов (табл. 63).

ШИМ на TIM3

Широтно-импульсная модуляция — прямоугольный сигнал постоянной частоты с изменяемой долей единицы. Что это даёт светодиоду и двигателю и как выбрать частоту, рассказано в статье глоссария ШИМ и в калькуляторе ШИМ. Каналы таймера сравнивают CNT с регистрами CCRx и управляют выходом. В режиме PWM mode 1 при счёте вверх опорный сигнал OCxREF равен единице, пока CNT < CCRx, и нулю дальше (разд. 15.3.9, с. 388). Скважность — CCRx / (ARR + 1); при CCRx = 0 выход постоянно в нуле, при CCRx больше ARR — постоянно в единице.

Настройка канала 1 по разделу 15.3.9:

• TIMx_CCMR1: поле OC1M = 110 — PWM mode 1, бит OC1PE — предзагрузка CCR1 (новое значение скважности применяется только на границе периода, без укороченных импульсов). Поле CC1S после сброса равно 00 — канал работает на выход;
• TIMx_CCER: бит CC1E включает выход, CC1P = 0 — активный уровень высокий;
• TIMx_CR1: ARPE — предзагрузка ARR;
• перед запуском — UG, чтобы все предзагруженные регистры переписались в рабочие.

Выход TIM3_CH1 без переназначения — вывод PA6 (DS5319, табл. 5; RM0008, разд. 9.4.2). Режим вывода по таблице 23 RM0008 — альтернативная функция push-pull. Подключите к PA6 внешний светодиод через резистор 330 Ом к земле: при прямом напряжении красного светодиода около 2 В ток составит примерно (3,3 − 2) / 330 ≈ 4 мА (расчёт наш), а выводы STM32F103, кроме PC13–PC15, отдают до 8 мА (DS5319, разд. 5.3.13). Резистор под другой светодиод посчитает калькулятор резистора для светодиода.

Для TIM3 возьмём PSC = 71: счётчик идёт с частотой 1 МГц, и при ARR = 999 период — 1000 мкс, то есть ШИМ 1 кГц со скважностью от 0 до 100 % шагами по 0,1 % (расчёт наш).

Программа

/* main.c, lesson 7: TIM2 interrupt toggles PC13 at 2 Hz, TIM3 PWM fades an LED on PA6 */
#include "stm32f1xx.h"
#include "clock.h"

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) {
        TIM2->SR = ~TIM_SR_UIF;             /* rc_w0: write 0 to clear */
        if (GPIOC->ODR & GPIO_ODR_ODR13)
            GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;
        else
            GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;
    }
}

static void tim2_init_2hz(void)
{
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    TIM2->PSC = 7200u - 1u;                 /* 72 MHz / 7200 = 10 kHz */
    TIM2->ARR = 5000u - 1u;                 /* 10 kHz / 5000 = 2 Hz */
    TIM2->EGR = TIM_EGR_UG;                 /* load PSC and ARR now */
    TIM2->SR = ~TIM_SR_UIF;                 /* UG has set UIF: clear it */
    TIM2->DIER = TIM_DIER_UIE;
    NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 3u);
    NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
    TIM2->CR1 = TIM_CR1_CEN;
}

static void tim3_pwm_init(void)
{
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;

    /* PA6 = TIM3_CH1: alternate function push-pull, 2 MHz (CNF = 10, MODE = 10) */
    GPIOA->CRL = (GPIOA->CRL & ~(GPIO_CRL_CNF6 | GPIO_CRL_MODE6))
               | (0x2u << GPIO_CRL_CNF6_Pos) | (0x2u << GPIO_CRL_MODE6_Pos);

    TIM3->PSC  = 72u - 1u;                  /* 1 MHz counter */
    TIM3->ARR  = 1000u - 1u;                /* 1 kHz PWM, 1000 steps */
    TIM3->CCR1 = 0u;
    TIM3->CCMR1 = (TIM3->CCMR1 & ~(TIM_CCMR1_OC1M | TIM_CCMR1_CC1S))
                | (0x6u << TIM_CCMR1_OC1M_Pos)       /* PWM mode 1 */
                | TIM_CCMR1_OC1PE;                   /* CCR1 preload */
    TIM3->CCER |= TIM_CCER_CC1E;            /* output on, active high */
    TIM3->CR1  |= TIM_CR1_ARPE;
    TIM3->EGR   = TIM_EGR_UG;               /* move PSC, ARR, CCR1 to the shadow registers */
    TIM3->CR1  |= TIM_CR1_CEN;
}

int main(void)
{
    uint32_t hclk = clock_init();
    systick_init(hclk);

    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;
    GPIOC->CRH = (GPIOC->CRH & ~(GPIO_CRH_MODE13 | GPIO_CRH_CNF13))
               | (0x2u << GPIO_CRH_MODE13_Pos);

    tim2_init_2hz();
    tim3_pwm_init();

    uint32_t duty = 0;
    int32_t step = 5;
    for (;;) {
        TIM3->CCR1 = duty;                  /* applied at the next period */
        delay_ms(10u);
        if (duty == 0u && step < 0)
            step = -step;
        else if (duty >= 1000u && step > 0)
            step = -step;
        duty = (uint32_t)((int32_t)duty + step);
    }
}

Расчёты PSC и ARR в программе верны только для частоты таймеров 72 МГц, то есть когда clock_init() вернула 72 МГц; при работе от HSI все частоты будут в 9 раз ниже. Светодиод PC13 мигает раз в секунду (переключение дважды в секунду) — и это делает прерывание, а не основной цикл. Внешний светодиод на PA6 плавно разгорается за 2 секунды и так же гаснет: 200 шагов по 10 мс в каждую сторону (расчёт наш). Основной цикл только меняет CCR1 раз в 10 мс, а сами импульсы формирует таймер.

Обработчик TIM2_IRQHandler — единственный, кто меняет PC13, поэтому чтение ODR и запись в BSRR в нём безопасны.

На STM32F4

У STM32F411 есть те же TIM2–TIM5, но TIM2 и TIM5 там 32-битные, а TIM3 и TIM4 — 16-битные (RM0383, с. 313): на TIM2 при 100 МГц и PSC = 0 период до 2³² / 100 МГц ≈ 43 с (расчёт наш). Правило удвоения частоты то же — при делителе APB, не равном 1, TIMxCLK = 2 × PCLKx (RM0383, с. 95; бит TIMPRE после сброса равен нулю). Выход TIM3_CH1 на PA6 включают номером альтернативной функции AF2 в GPIOA->AFR[0] и режимом MODER = 10. Регистры каналов — CCMR1, CCER, CCR1 — и биты PWM mode 1 те же.

Задание

1. Как получить на PA6 ШИМ 20 кГц — вне слышимого диапазона, чтобы обмотка мотора не пищала? Какой будет шаг регулировки скважности?
2. Что изменится, если убрать бит OC1PE?

Что дальше

В уроке 8 АЦП будет непрерывно измерять два канала, а DMA — складывать результаты в массив без участия ядра. Регистры таймеров STM32F1 с битами — на странице атласа регистров TIM STM32F1. Термины урока — в статьях глоссария «Предделитель», «Захват и сравнение» и «Прерывание по переполнению таймера». Готовый код таймера в режиме ШИМ для любого канала и вывода сделает генератор инициализации STM32.