定时器与PWM

第 4 章 · 定时器与 PWM

章节摘要：上一章的灯靠 CPU 空转延时闪烁，这一章把"时间"从软件手里收走，交给硬件定时器。本章讲透定时器的计数原理与 PSC/ARR 寄存器的数学，用它产生精确中断替代阻塞延时；再进一步用 PWM 让硬件自动输出可调占空比的方波，做出呼吸灯。定时器是嵌入式外设里的瑞士军刀——精确延时、周期中断、脉宽测量、电机调速全靠它，而原理通了一通百通。

本章学习目标

读完本章并完成后，你应当能够：

• 手算"目标周期 → PSC 与 ARR 取值"的两步换算，并在 16 位上限约束下拆分参数；
• 配置 TIM3 产生稳定的更新中断，在 ISR 里以精确节拍翻转 LED；
• 解释 PWM 的周期、占空比与 CCR 寄存器的关系，说出分辨率位数的来源；
• 配置 TIM3 通道输出 PWM，并用软件渐变占空比实现呼吸灯；
• 说明独立看门狗为什么必须存在，并算出喂狗周期的安全余量。

核心概念速览

定时器的本质是"数节拍的计数器"：时钟进来先分频（PSC），变成匀速滴答；计数器（CNT）滴答涨，涨到重装值（ARR）就溢出归零并触发更新事件。PWM 只是给这个计数器配了一个"比较阈值"（CCR）：计数器小于阈值输出一种电平、大于则翻转到另一种，方波便自动流淌出来。

一句话记住本章：PSC 定滴答多密，ARR 定数多少下，CCR 定在哪一下翻面。

图 4-1：从时钟滴答到 PWM 波形的完整链路

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4.1 定时器原理与寄存器配置 —— 滴答的数学：PSC 与 ARR 的换算公式、16 位上限的拆分手法、更新中断的完整配置与 ISR 纪律，顺带认识独立看门狗这个"逼你守时"的硬件闹钟。

4.2 PWM 呼吸灯实战 —— 计数的另一条出口：CCR 与占空比的关系、分辨率与频率的权衡，把第 3 章的手工翻转升级为硬件自动输出，期末作业是渐变呼吸灯。

一个数学焦虑的安抚：本章公式只有一条，"溢出频率 = 输入频率除以两个加一的乘积"，其余全是它的变形。看懂 4.1 的两步拆分法之后，建议亲手把 1 kHz PWM、50 Hz 舵机信号、10 ms 节拍各算一遍——三道题算通，定时器的参数设计就永久脱敏了。实验器材与第 3 章完全一致，无需新增采购；若手头有伺服舵机或小风扇，4.2 的应用段可以让它们当场转起来。

定时器选型小抄

STM32F103 上定时器不止一个，先建立分工地图：TIM1 是高级定时器，带死区与刹车，电机驱动专用；TIM2、TIM5 在部分型号上是 32 位，长周期计时的首选；TIM3、TIM4 通用 16 位，本章例程用它，资源够用又典型；SysTick 是内核自带的 24 位节拍器，操作系统心跳的天然人选（第 6 章的 FreeRTOS 正是它）；独立看门狗 IWDG 也可以算作定时器家族的"保安岗"。选择顺序：先看位数够不够，再看通道与引脚复用是否顺手，最后才考虑高级特性。具体型号挂几个定时器、每个有哪些通道，以数据手册为准——查表能力在这一章同样是硬技能。

各节之间的推进逻辑

先立计时（4.1 的中断节拍），再立输出（4.2 的 PWM 波形），因为 PWM 参数计算完全建立在"滴答多密、数多少下"的数学上。这个顺序也复刻了嵌入式产品里定时器的真实用法：多数系统同时开着一路节拍中断（给调度器、给按键扫描喂 5 ms 周期）和多路 PWM（给灯、给电机），两条路径互不抢 CPU。第 3 章的"状态机消抖需要 5 ms 节拍"在这章兑现——那正是 TIM3 更新中断。

前置知识与后续延伸

本章需要 2.3 的时钟树知识（算定时器输入频率必须知道 APB 分频的"双倍"规则），以及 3.1 的输出引脚配置（PWM 从引脚出去前，引脚要配成复用推挽）。往后看：第 5 章串口的波特率发生器就是一个专用定时器，思想同源；第 6 章 FreeRTOS 的系统节拍由 SysTick（内核自带的定时器）提供；第 7 章 OTA 里的超时重传也由定时器守护。学完本章，你会发现自己看任何"时间相关"的需求，第一反应都变成了"这该用哪个定时器的哪条路径"。