0 时钟

0.1 什么是时钟？

• 控制处理器或外设中所有电路的运行节奏；

• 相当于“节拍器”或“鼓点”，每跳动一下，就执行一条指令或传输一个数据；

• 数字电路没有“自发”动作，只有在时钟驱动下才运行。（所以可以理解为时钟驱动MCU运行，从而驱动外设）

• 比如 1MHz 表示每秒100万次电平跳变。

0.2 为什么使用外设前需要打开时钟？

🔒 默认情况下，这些外设的时钟是“关闭的”（外设处于冻结状态），不工作也不耗电。

• 电源总线是“系统电源”；

• 各个车间（外设）比如 UART、ADC、TIM 是“子工厂”；

• 要让这些车间开始运转，就必须“打开他们的供电开关”——也就是打开“外设的时钟”！

0.3 时钟的种类

0.4 时钟的分发结构（STM32的时钟树）

1 STM32 定时器概述

1.1 定时器的概述

• 功能
• 定时器的基本功能，但是STM32的定时器除了具有定时功能之外，也具有定时器中断功能还具有输入捕获(检测外部信号)以及输出比较功能(输出不同的脉冲)，可以利用STM32定时器输出某种频率的脉冲信号来控制产品(控灯亮度、控制直流电机的转速、控制能机的角度....)

• 定时器的种类
• STM32由于资源丰富，所以提供了多种定时器，一共提供 14个定时器(不包含系统定时器、不包含看门狗定时器)，分为高级定时器(TIM1和TIM8)、通用定时器(TIM2~TIM5+TIM9~TIM14，一共10个)、基本定时器(TIM6 和TIM7)。
• 在F401中，定时器是TIM1,TIM2~TIM5,TIM9~TIM11，都是84MHZ
• 没有基本定时器TIM6和TIM7，和高级定时器TIM8
• 也没有TIM12~TIM14(辅助高级定时器)

1.2 基本定时器的使用

1.2.1 基本定时器框图

• 基本定时器只能向上计数:0~2^16-1;

• 在寄存器map里面看定时器挂载在哪里的总线上





• SYSCLK：168MHz
• APB1总线频率（外设时钟）：42MHz；APB2总线频率（外设频率）：84MHz
• APB1定时器时钟：84MHz；APB2定时器时钟：168MHz
• STM32提供TIM6和TIM7作为基本定时器，属于STM32内部资源（没有通道就没有输入捕获和输出比较功能），都是16bit定时器，并没有和GPIO引脚连接，TIM6和TIM7都挂载在APB1总线下，而APB1 定时器时钟频率为84MHZ.

• 基本定时器框图



• 这里的内部时钟CK_INT：就是前面所说的APB1的定时器频率84MHz。
• 如果不处理，那么84MHz即1s钟振荡84M次。
• 分频：预分频器可对计数器时钟频率进行分频，分频系数介于1和65536之间。TIMX_PSC寄存器中的16位寄存器所控制的16位计数器。
• （84-1），从0开始？？？（因为这个是基于16位寄存器控制的16位计数器，所以是从0开始计数，想要n分频，设置寄存器的值应该为n-1），时钟频率降为1MHz（1s振荡10^6次，振荡1次计时1us）
• （8400-1），时钟将为10000Hz，即1s振荡10000次，即1ms振荡10次，100us1次。所以分频越高，时钟频率越低，周期更长，计时越慢
• 基本定时器只能向上计数
• 计数器寄存器（TIMx_CNT）:记录当前计数值，从0开始向上+1
• 预分频定时器（TIMx_PSC）:设置计数一次的周期（单次时间）
• 自动重载寄存器（TIMx_ARR）:设置定时的次数（定时总时间）
• 影子寄存器：如图所示有影子的寄存器即有影子寄存器。所以PSC和ARR有影子寄存器。
• 自动重载寄存器是预装载的（即最初需要写入值）。每次尝试对自动重载寄存器执行读写操作时，都会访问预装载寄存器。预装载寄存器的内容既可以直接传送到影子寄存器，也可以在每次发生更新事件UEV时传送到影子寄存器，这取决于TIMxCR1寄存器中的自动乘载预装载使能位(ARPE)。当计数器达到上溢值并且TIMx_CR1寄存器中的UDIS位为0时，将发送更新事件。该更新事件也可由软件产生。
• PSC寄存器有缓冲（即含有影子寄存器）。因此可以对预分频器进行实时更改。而新的预分频比将在下一场更新事件发生时被采用。
• 所以想要对基木定时器的定时功能进行设置，只需要把TIM_CNT、TIM_PSC、TIM_ARR 寄存器设置正确即可。
• 举个例子:TIM6的时钟频率为84MHZ，如果想要降低频率，公式：频率 = 84MHz /（PSC+1）. 计数次数 = 定时时间/计数一次的时间 -1
• 1MHZ=84MHZ/(83+1)，频率就降为1MHZ，也就意味着TIM_CNT寄存器累计计数1次的时间是1us，如果打算利用TIM6定时1ms,也就是说TIM_ARR寄存器的值应该设置为1000-1,只要TIM_CNT==TIM_ARR,就说明时间到了.（PSC=84-1=83,ARR=1000-1=999）.
• 如果时间到了，TIM_CNT清0，重新从0计数到自动重载值(TIMX_ARR寄存器的内容)，并生成计数器上溢事件。
• 对时钟进行分频的目的就是为了延长定时时间（因为ARR是最高为65536，但是每次计数所对应的时间是可以更改的，所以可以延长单位计时长度来延长总计时时间），但是不是必须分频，由用户指定是否分频。
• 计数值=自动重装值产生的中断，我们叫做更新中断，这个中断会通向NVIC，再配置好NVIC的定时器通道，就能得到CPU响应（即跳转到中断服务程序），编写中断服务程序就可以了。
• 计数值=自动重装值产生的事件，我们叫做更新事件。更新事件不会触发中断，但是可以触发内部其他电路的工作。
• 主从触发DAC的功能：内部硬件再不受程序控制的情况下实现自动运行



• 定时器的更新事件映射到触发输出（TRGO:Trigger Output）的位置，然后TRGO直接接到DAC的触发转换引脚上，整个过程不需要软件的驱动，硬件自动。

• 对于STMF401,说明书我们可以看到没有TIM8，TIM12,TIM13,TIM14，TIM6,TIM7.所以STM32F401没有一般定时器（TIM6和TIM7）

• TIM1为高级定时器，TIM2~TIM5为通用定时器（TIM3和TIM4 16bit；TIM2和TIM5 32bit（定时范围更广）），TIM9~TIM11为补充定时器

1.2.2 定时器的结构体配置

• 设置定时器的分频系数 TIM _Prescaler 范围 0x0000 and 0xFFFF

• 设置定时器的计数模式 TIM_CounterMode



• 基本定时器只能设向上计数
• 中心对齐模式123：关键寄存器：TIMx_CR1，STM32的中心对齐模式由TIMx_CR1寄存器的CMS[1:0]位控制：
STM32的中心对齐模式由 TIMx_CR1 寄存器的CMS[6:5] 位控制：



• 中心对齐模式1：首先从0开始向上计数，直到计数值等于自动重载寄存器（ARR）值，产生一个上溢事件，然后计数器开始向下计数，直到计数值为0时，产生一个下溢事件.随后计数器重新从0开始计数，如此循环往复。
• 中心对齐模式2：其他同中心对齐模式1，更新事件发生在CNT=ARR时，产生一个上溢事件
• 中心对齐模式3，上升下降都有更新事件。

• 设置定时器计数周期 TIM_Period 指的是重载寄存器的值
• 指定要加载到ARR寄存器的值。在下一次更新事件时自动重新加载寄存器。范围0x0000 ~ 0xFFFF（65536）

• 设置定时器的时钟分频因子 TIM_ClockDivision 在输入捕获的采样使用 不需要设置

• 设置定时器的重复计数器 TIM_RepetitionCounter 只有高级定时器需要设置

1.2.3 定时器编程

• 打开基本定时器时钟 TIM6和TIM7 在APB1总线，所以打开APB1时钟

• 设置定时器的相关参数（预分频、计数模式、计数周期）+初始化定时器





• 第一个函数是“真正初始化”定时器（TIMx）的时基（TimeBase）部分，也就是基本定时功能。它会根据你设置好的结构体 TIM_TimeBaseInitStruct 的内容，去配置对应定时器的这些寄存器：ARR,PSC,向上向下计数，CKD（时钟分频因子），计数器重复次数（仅限高级定时器）
• 第二个函数是将传入的结构体初始化为默认值（不是配置定时器）！这个函数的作用是为了：避免你手动初始化每一个字段（比如忘记设置会有未定义行为）；先用它设置默认值，再改你关心的字段，确保结构体内容完整合法。
• 初始化定时器可以通过TIM_TimeBaseInit实现
• 函数原型：void TIM_TimeBaseInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_TimeBaseInitTypeDef* TIM_TimeBaseInitStruct);
• 参数一：TIMx 打算配置参数的定时器号 如TIM6
• 参数二：TIM_TimeBaseInitStruct 配置时基单元的地址 记得&

• 设置NVIC的相关参数（中断通道和中断优先级）初始化NVIC

• 设置定时器中断源





函数原型：void TIM_ITConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT, FunctionalState NewState)
• 参数1：TIMx 打算产生中断的定时器号 如TIM6
• 参数2：TIM_IT 指定定时器的中断源 一般为TIM_IT_Update 表示更新（数到了）中断
• 参数3：NewState 打开和关闭中断源 ENABLE or DISABLE.

• 打开定时器

• 编写定时器中断服务函数 中断服务函数名字去汇编文件复制（检测状态和清除状态）

1.2.4 出现的一些问题

• NVIC初始化的时候，中断通道该怎么选？
• 产生中断，那么就会有对应的中断服务程序，中断服务程序的名字在启动文件的向量表里面。即发生中断的时候会自动跳转到中断服务程序里面。所以需要打开中断通道之后才能发生中断时跳转。

• 中断服务程序的编写
• 潜规则：默认要把所有中断服务程序写入stm32f4xx_it.c
• 检测中断是否发生



• 函数原型：ITStatus TIM_GetITStatus(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT)
• 第一个参数，选中的定时器
• 第二个参数，中断源。
• 返回值：SET(发生中断)，RESET(没有发生中断)
• 清除中断状态



• 函数原型：void TIM_ClearITPendingBit(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT)
• 第一个参数：选中的定时器
• 第二个参数：中断源
• 执行中断服务程序

• 代码的优化
• 定时器时间的设置
 

1.3 通用定时器

• 区别在：多种计数模式，多个通道（可以实现定时器互联，GPIO关联），多个功能（输入捕获、输出比较、PWM）

• 相比于基本定时器而言，通用定时器增加了输入捕获功能以及输出比较功能,并且通用定时器具有独立通道，就可以把GPIO引脚连接到某个通道，利用通道进行输入信号的检测以及脉冲信号的输出。

• 对于通用定时器 TIM2~TIM5，都挂载在 APB1 定时总线下，定时器的频率为84MHZ，如下图

• TIM2~TIM5的计数方式有多种可以选择，分别为递增计数、递减计数、递增/递減计数。
• 递增计数:计数器从0计数到自动重载值(TIMx_ARR寄存器的内容)，然后重新从0开始计数并生成计数器上溢事件。（所以填入ARR的实际值需要目标计数值-1）
• 递减计数:计数器从自动重载值(TIMXARR寄存器的内容)开始递减计数到0，然后重新从自动重载值开始计数并生成计数器下溢事件。（（所以填入ARR的实际值需要目标计数值-1））
• 中心对齐:计数器从0开始计数到自动重载值(TIMxARR存器的内容)，生成计数器上溢事件;然后从自动重载值开始向下计数到0并生成计数器下溢事件。

1.3.1 通用定时器框图

• 内外时钟源选择

• 滤波：过滤掉不稳定的不需要的波形

• 边沿检测：比如说设置检测上升沿，信号就是周期信号，两个上升沿可以算出带宽，周期等等

• 输入捕获的两种途径：第一个就是从通道产生，第二个就跟CNT自产信号比较

• 输出比较：可以输出PWM(通过脉冲宽度调整得出)，调整舵机转动角度

• 定时功能:基本上使用流程和基本定时器一致，只不过通用定时器的计数方式更灵活
• 开启定时器时钟（总线时钟）→配置定时器参数（结构体）→配置NVIC(开启中断)→编写中断服务程序→使能定时器

• 输入捕获:可以把定时器的某个通道连接到GPIO引脚上，然后从外部输入脉冲信号，经过通道的滤波以及边沿检测之后，可以记录某个电平信号的脉冲宽度以及周期。

• 输出比较:可以把定时器的某个通道连接到GPIO引脚上,主动从引脚输出一个固定的脉冲,原理很简单，其实就是计数器(TIM_CNT)如果超过比较寄存器中的值，就可以输出一个电平信号(高电平或者低电平)。

1.4 高级定时器

• STM32 中提供了TIM1和TIM8 高级定时器，相比于其他定时器而言，高级定时器增加了带可编程死区控制的互补输出、重复计数器、断路输入功能(一般用于控制工业中的高精度电机)，但是如果作为定时功能来说，和其他的定时器没啥区别。

• 高级级定时器TIM1和TIM8都挂载在APB2总线下，所以TIM1和TIM8的定时时钟频率为 168MHZ.

• 这里需要插一嘴的是STM32F401

1.5 回顾定时器通道

定时器通道（Channel）是定时器用于“比较输出”或“捕获输入”的子模块，每个通道都能独立配置成PWM、输入捕获、中断等功能。

2 PWM

2.1 PWM的概述

• PWM的概念
• PWM 指的是脉冲宽度调制，是一种利用微处理器的数字输出能力来控制模拟电路的技术。 PWM 技术的关键参数有两个，一个是频率，一个是占空比。
• 频率指的是利用STM32的定时器通道输出脉冲的次数
• 占空比指的是一个周期内高电平所占的比例（准确来说是占空比是“有效电平”在一个周期中所占的比例。默认为有效电平为高电平，所以默认的占空比是高电平时间占一个周期的比例）



• PWM技术一般用在工业控制领域(控制电机的转速、控制舵机的角度…)

2.2 PWM的原理

• 这里的高低电平有效，通道有效和PWM模式有点懵
• 高/低电平有效
• 希望”在PWM高电平的时候是“有效”输出，还是低电平的时候为“有效”输出。本质是“有效”状态用什么电平来表示。这里的“有效”不是逻辑 true/false。
• 极性设置决定“有效电平是高电平还是低电平”；
• 这个设置定义了当通道处于“有效”状态时，输出什么电平。
• 高电平有效 (CCxP = 0): 当通道有效时，输出高电平 (1)。当通道无效时，输出低电平 (0)。
• 低电平有效 (CCxP = 1): 当通道有效时，输出低电平 (0)。当通道无效时，输出高电平 (1)。
• 通道有效/通道无效
• 输出比较通道是否启用输出，通道有效并输出比较事件生效时，才会有波形输出。
• 通道是否使能决定是否输出波形
• “通道有效” 表示输出应该驱动为有效电平所定义的那个电平。
• “通道无效” 表示输出应该驱动为无效电平所定义的那个电平（即有效电平的反）
• PWM模式
• PWM模式决定“输出有效电平出现在哪段时间”；

• 思考:外设到底是和哪个定时器的哪个通道连接在一起的? 参考芯片数据手册和原理图



• 可以看到PF9引脚和TIM4_CH1是相关联的,所以就需要把PF9引脚的功能设置为复用功能，复用为定时器功能。

• 函数原型：void GPIO_PinAFConfig(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_PinSource, uint8_t GPIO_AF)；
• 参数一：GPIOx 要复用的引脚端口
• 参数二：GPIO_PinSource 要复用的引脚编号 GPIO_PinSourcex（x为0~15）
• 参数三：GPIO_AF 指的是要复用的引脚功能 如GPIO_AF_TIM14

• 这里是一些寄存器的说明

2.3 PWM的使用

• PWM 的使用流程可以参考 stm32f4xx_tim.c源文件的注释部分，如下图所示

• 打开GPIO引脚的时钟 + 定时器的时钟

• 配置GPIO引脚（引脚模式需要设置为复用模式)+初始化GPIO

• 把GPIO引脚功能复用为对应的定时器 配置GPIO为复用模式，但你还需要告诉它“复用成哪个外设”。

• 配置定时器的定时时间（预分频+自动重装载值）+初始化TIM （PWM周期）

• 配置定时器通道的参数（输出极性、PWM模式）+初始化定时器通道 TIM_OCxInit()
（设置PWM占空比）





• 这里为什么是50（）而不是50-1.因为在说明书里面可以知道<50时候为有效状态，那么就是0~49为有效状态即高电平输出，

• 使能预装载寄存器 调用TIM_OCxPreloadConfig
• 意思是：当你用软件修改 CCR1（占空比）时，不会立即生效，而是要等到下一个计数周期开始。这样可防止 PWM 输出中间跳变，保证波形稳定

• 使能自动重载、预装载寄存器的ARPE位
• 和上面一样，让 ARR 修改也是等下个周期开始才生效





• 函数原型：void TIM_ARRPreloadConfig(TIM_TypeDef* TIMx,Functionalstate Newstate)

• 打开定时器TIM_cmd(ENABLE)

• 注意：PWM技术使用的是定时器通道的输出比较功能，所以不需要配置NVIC，也不需要编写中断服务函数。



• 前面我们设置了有效电平是高电平，使用的模式是PWM1（CNT<CCR1时输出有效电平）。然后设置PSC=83999和Period（ARR）=100-1，即一次pwm周期为100ms.CNT从0数到99.设置占空比为50%，即有效电平（高电平为0~49），即前0~49的时候输出高电平，后面50~99的时候输出低电平。
• 这个函数的本质就是设置CCR1寄存器的值，一张寄存器的图如下。这里TIM_SetCompare1(TIM14, 30); // 设置 CCR1 = 30。所以CNT<30的时候为高电平

寄存器名称	中文解释	作用
ARR	自动重装寄存器	控制一个 PWM 周期的总时间（最大计数值）
CCR1	捕获/比较寄存器1	控制 PWM 中高电平持续的时间 → 决定占空比=CCR1/(ARR+1)
CNT	计数器	实时计数值，从 0 递增到 ARR，或递减（根据模式）
PSC	预分频器	控制定时器的计数速度（时钟分频）

2.4 回顾GPIO

2.4.1 什么是GPIO

2.4.2 GPIO配置结构体GPIO_InitTypeDef

• GPIO_OType —— 设置输出类型（仅当为输出或复用模式时有意义）

类型	说明	典型用途
推挽	可输出高或低电平，驱动能力强	PWM、普通IO
开漏	只能输出低电平，高电平靠上拉	I2C总线

• GPIO_PuPd —— 内部上拉下拉电阻配置

类型	说明	用途举例
无	引脚悬空时电平不确定（容易漂浮）	外部电路有自己电平控制
上拉	默认高电平，适合捕获下降沿	按键接地、I2C
下拉	默认低电平，适合捕获上升沿	捕获高电平脉冲

• GPIO_Speed —— 输出速度（实际上是驱动能力）
并不是“波形切换频率”，而是驱动速率与电磁干扰控制有关。

速度	用途
低速	慢速IO、LED、蜂鸣器
高速/非常高速	PWM、SPI、USART、频繁变化的信号线

2.4.3 GPIO配置流程

2.4.4 为什么需要配置GPIO?

• 大多数引脚都是多功能复用引脚（比如一个引脚可以做GPIO（普通IO输入输出），也可以当作UART、PWM、ADC等外设）。你想让某个引脚用于定时器输出PWM信号（就是定时器产生PWM波，但是输出靠GPIO口），或者捕获输入信号的高电平宽度，那它就不能当作普通GPIO使用，必须：

• 回顾一下推挽输出：内部同时有高电平驱动和低电平下拉能力
• 在“推挽”模式下，引脚可以主动输出高电平（推）或低电平（拉），通过控制两个开关器件（如上下MOS管）交替导通，实现稳定、强驱动能力的电平输出。

• 回顾一下下拉：内部下拉电阻，在引脚悬空时自动拉低，常用于输入捕获模式，比如用来捕获一个高电平脉冲宽度，低电平默认有助于识别高电平跳变。
• “下拉”是一种电气属性，在 输入模式或复用模式下，当引脚悬空或未被外部驱动时，会通过内部连接一个电阻到 GND，把引脚电平拉低。

• GPIO和定时器的关联
• 定时器负责生成PWM波形，GPIO引脚负责把波形“搬运”到芯片外部。
• 必须通过GPIO的“复用功能”把定时器的输出通道映射到某个具体的引脚上，二者才能打通。

3 PWM驱动舵机

• 注意：需要20ms的脉冲宽度

• 按照这里的预分频和单次计时周期可以得出总计时时长20ms计数2000次（写入Period（ARR寄存器））

• 根据角度对应的高电平算出对应计数的次数（写入一度对应的次数，这样可能会得到小数，往误差小的上取和下取），写入CCR寄存器，使用SetCompare

• 实现顺时针和逆时针调节（延时观察现象）

• 一些有点遗忘的知识点

名称	中文名	控制内容
ARR (Auto-Reload Register)	自动重装载寄存器	控制 PWM 的周期（计数最大值）
CCRx (Capture/Compare Register)	捕获比较寄存器	控制 PWM 的占空比（什么时候翻转）

• “预装载寄存器机制”：你写进去的新值，暂时放在一个影子寄存器中，等当前计数周期结束（更新事件UEV到来）时再统一加载。
• 启动CCR1的预装载功能：TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
• 如果不开启预装载，你每次调用 TIM_SetCompare1() 改占空比，立即生效，可能会导致 PWM 信号瞬间跳变。
• 如果开启预装载（推荐），那么改完占空比之后，会在下一个更新事件（计数周期结束）时统一生效，平滑安全。
• 启动ARR的预装载功能：TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);

• (了解一下)时钟分频因子的知识点：TIM_BaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1
• TIM_ClockDivision 是用于“数字滤波器”相关功能（例如输入捕获、编码器模式等）时，对定时器时钟的进一步分频。它不影响基本的 PWM 输出节拍。
• 它控制的是定时器的内部采样时钟（tDTS），不是主时钟频率（你设定的 prescaler）。
• 主要用于数字滤波器的采样节拍，比如输入捕获时用于消除抖动。

• 在我们配置TIM的PWM模式时
• TIM_OCStruct.TIM_Pulse = 1500; // 设置1.5ms为中间值，一次为1us
• 设置了PWM输出的“高电平持续时间”
• 更直白一些是：在每个PWM周期内，输出高电平持续N个计数器周期。
• 更底层一些：设置每个周期里的CCR为1500.(ARR=20000-1)
• 占空比为CCR/(ARR+1)
• 这个地方是初始化就固定好了占空比
• VS:TIM_SetCompare1(TIM3, new_value);
• 前者初始化使用，在结构体里面
• 后者运行时使用，实时修改占空比,即实时修改CRR。new_value=CRR

4 PWM驱动呼吸灯

• 呼吸灯需要实现的效果：从暗到亮再到暗再到亮…
• 占空比：从小到大再从大到小，占空比就对应pwmVal这个变量
• dir：控制方向：1，正在变亮pwmVal++；0正在变暗，pwmVal—

5 小组资料与补充

5.1 PWM概念

• Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制
• 一种利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的技术



• 通过物理可以知道高低电平跳变可以等效电压（图一中虚线部分）不同，这样亮度/转速都不同。可以调节高电平时间来确定。
• 一般等效是线性的即50%占空比，高电平是5V，低电平是0V，那么等效电压就是2.5V。使用PWM波形就可以在数字系统等输出等效模拟量

5.2 配置时基单元

• 预分频器（Prescaler）
• 接收一个输入时钟信号（CK_PSC），并将这个信号分频(降低为原来的1/N)，产生一个频率较低的输出时钟信号（CK_CNT）
• 实际分频系数 = 预分频值（PSC） + 1
CK_CNT = CK_PSC / (PSC+1)

• 计数器（CNT）
• 计数时钟每来一个上升沿，(在向上计数模式中)计数器的值加一，不断自增直至达到目标值
• 通用和高级定时器还支持向下计数模式和中央对齐模式。

• 自动重装寄存器（ARR）
• 存储计数目标值（计时总时长）

5.3 输出比较（OC:Output Compare）

• 输出比较可以通过比较CNT与CCR寄存器值的关系，来对输出电平进行置1、置0或翻转的操作，用于输出一定频率和占空比的PWM波形
• CNT就是时基单元的计数器，CCR就是捕获/比较寄存器（输入捕获和输出比较共用），当使用输入捕获时就是捕获就是捕获寄存器，当输出比较的时候就是比较寄存器
• 以输出比较为例，当CNT<>CCR的时候，就会输出相应的0，1电平，从而形成周期性波形。

• 每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输出比较通道

• 高级定时器的前3个通道额外拥有死区生成和互补输出的功能，这个是用来驱动三相无刷电机的

• 通用定时器的输出比较电路



左边是CCR和CNT比较的结果，右边就是输出比较电路，最后通过TIM_CH1输出到GPIO上。



• REF：参考信号，此时为一个频率、占空比均可调的PWM波形
• 极性选择：寄存器写0时信号电平不翻转，写1信号通过一个非门取反，输出信号就是一个高低电平反转的信号。
• 输出使能电路。OC1引脚这个就是CH1通道的引脚，引脚定义表里就可以知道具体是哪个GPIO口了。
• 什么时候给RED高/低电平？输出模式控制器：输入时CNT和CCR的比较结果，输出是REF的高低电平。通过寄存器OC1M[2:0]配置



匹配时电平翻转，可以输出一个50%的PWM波形。更新事件两次为一个周期。
这里可以看到PWM模式1和PWM模式2是相反的两个波形。然后再后面的极性选择的地方又可以选择一次输出。所以PWM模式1的正极性输出和PWM模式2的反极性输出最终输出结果是一样的。



CCR是我们自己设置的，CNT每次+1都在不断与CCR进行比较，蓝色线是CNT的值，黄色线是ARR的值，红色线是CCR的值。绿色线就是输出。REF就是一个频率可调，占空比可调的PWM波形。

• 高级定时器输出比较电路



• REF：参考信号，此时为一个频率、占空比均可调的PWM波形
• 极性选择：寄存器写0时信号电平不翻转，写1信号通过一个非门取反，输出信号就是一个高低电平反转的信号。
• 外部会接一个电路：MOS管（大功率开关），上接高电平，下接地。左边给电平信号，例如给高电平，MOS管导通，低电平MOS管断开，即最基本的推挽输出。中间是输出
• 上管导通下管断开，输出为高电平。上管断开，下管导通，输出为低电平。如果上下管都导通，电源短路。
• 两个这样的推挽电路就构成了H桥电路，可以控制直流电机正反转。三个推挽电路就可以驱动三相无刷电机。
• OC1和OC1N是两个互补的输出端口，控制推挽输出中上下管的导通和关闭
• 死区发生器：上下管导通的时候可能会因为器件反应不理想，推挽输出上下导通的时候短路。某一个管关闭的时候，延迟一小段时间再导通另一个管

• 计算公式



• 占空比（Duty）=CCR/(ARR+1)
• 因为CNT<CCR的时候有效，比如说CCR=50,那么0~49就是有效的，共50个节拍，就是CCR的值。但是ARR填入的时候需要-1，因为是从0开始计数。
• PWM频率（Freq）（向上计数且为PWM模式1）
• PWM周期（注意这里的CCR：为占空比所对应的计数次数。而真正的周期为ARR的值）
• 实际频率CK_CNT=CK_PSC/(PSC+1),即1s多少次
• 周期T=(ARR+1)/CK_CNT→多少秒
• Freq=CK_CNT/(ARR+1)=CK_PSC/(PSC+1)/（ARR+1）
• 分辨率：占空比的最小变化单元（CCR能调的步长）
• 分辨率=1/（ARR+1）

5.4 电机和电调

• 基本的电磁知识
• 电流的磁效应:通有电流的导线会在其周围产生磁场
• 安培右手定则:可判断磁场的方向
• 磁场可以产生“力”：洛伦兹力。通电导线+磁场=会转动
• 磁铁:能产生并改变磁场方向，与永磁体有相同的性质(同极相斥，异极相吸)->在有刷电机中，电磁铁充当转子，不断转动;在无刷电机中，电磁铁作为定子，不会转动。

5.4.1 电机

• 有刷电机
• “通电线圈”变成转子（能动的部分），再放进一个磁铁结构（固定的部分，叫定子）中。
• 主要结构:定子+转子+电刷，通过旋转磁场获得转动力矩，从而输出动能。电刷与换向器不断接触摩擦，在转动中起到导电和换向作用。





• 为什么需要电刷和换向器
• 导线在磁场中，电流方向决定了力的方向。如果我们不改变电流方向，它转一圈就会卡住。所以需要：电刷 + 换向器的组合：在转动过程中不断“切换电流方向”，让磁力持续产生扭矩 ➜ 就能一直转下去。
• 有刷电机采用机械换向，磁极不动，线圈旋转。电机工作时，电磁铁作为转子，在其两侧各放置一块弧形永磁体，分别使他们的N极和S极指向转子，固定不动，称为定子。给转子通入电流，产生磁场，由于同极相斥，转子就会开始转动，转到一定位置时，就会由于异极相吸而停住。如果要让转子继续转动，就需要改变线圈中的电流方向，来切换转子中的磁极方向。
• 如何改变线圈中的电流方向:使用换向片和电刷。换向片固定在转子中轴上，与线圈相连，而电刷在弹簧的作用下紧贴换向片，且位置固定不动，并与电源相连。当线圈磁场方向需要反转时，两个电刷就各自切换所接触的换向片，线圈中的电流方向就发生了反转，磁场方向也随之反转。
• 缺点:相互滑动，会摩擦碳刷，造成损耗，需要定期更换碳刷;碳刷与线圈接线头之间通断交替，会发生电火花，产生电磁破，干扰电子设备。

• 无刷电机



• 与有刷电机刚好相反，无刷电机使用永磁铁作为转子，线铁芯制成的电磁铁作为定子。采取电子换向，线圈不动，磁极旋转。使用控制电路不断改变线圈的通电情况，同极相斥驱动转子不断地转动下去。（三相电路+霍尔传感器+MCU做电子换向）“线圈不动，磁铁动；电流不自己换方向，由MCU控制。”
• 结构对比：

项目	有刷电机	无刷电机
转子（会转）	线圈（电磁铁）	永磁铁（通常是多极磁钢）
定子（固定）	永磁铁	多相线圈（ABC三相绕组）
换向方式	物理换向：电刷 + 换向器	电子换向：MCU + 霍尔传感器

• MCU + 霍尔传感器 + 三相驱动 ➜ 电子换向系统组成

部件	作用
MCU 或驱动芯片	控制哪一相线圈什么时候通电
霍尔传感器	检测转子位置，告诉MCU“磁铁转哪了”
三相电路	负责将电流送入 A、B、C 三组线圈

• 工作过程详细分解（以三相120°驱动为例子）
• 三相驱动工作



• 霍尔传感器工作

• 无刷电机如何检测转子所处的位置:
• ①应用反电动势效应，电调并没有让所有的线圈都同时导通，当转子磁铁经过没有导通的线圈时，就会给这个线圈感应出电压，然后被控制器检测到，这个过程就像是在发电，电调会一直检测绕组，看它何时供上了电，何时发出了电，从而确定转子的相对位置。
• ②使用霍尔传感器来检测转子相对于定子的位置。检测到转子相对于定子的位置之后就能适时切换线圈中电流的方向，保证产生正确方向的磁力，来驱动电机。消除了有刷电机的缺点。

5.4.2 电调

• 电调（ESC）：Electronic Speed Controller，电子调速器
• 电调（ESC）是“给无刷电机喂电”的大脑和双手——把直流电变成能让电机旋转的“节奏感强”的三相交流电。

• ESC功能如下:

功能	解释
💡 整流/变换电流	将输入的直流电（电池）转换为三相交流电供电给无刷电机。
🧠 控制电机转速	根据接收到的控制信号（通常是PWM），改变三相电的频率、占空比，实现电机调速。
👂 接受外部指令	比如来自飞控、舵机控制器、遥控器接收模块的信号。
🛡️ 保护功能	如欠压保护、过流保护、堵转保护等，保护电机和电池。

• 无刷电机工作必须要有电调，否则是不能转动的。必须通过无刷电调将直流电转化为三相交流电，输给无刷电机才能转动。随时改变着固定线圈内部电流的方向，保证它跟永磁体之间的作用力是相互排斥，持续保持转动。

• 无刷电调的输入和输出
• 电调分为有刷电调和无刷电调，无刷电机配合无刷电调使用。
• 输入:直流电，两根线，红正黑负，可以接锂电池，或者稳压电路。具体供电需要参考说明书，我们使用的好盈20A电调的供电是2-3节锂电池。输出线中，白色是信号线，用于接受PWM信号，红色接5V，黑色线接地。
• 输入端（电源和控制信号）

引脚	说明
🔴 红线（VCC）	正极供电，一般来自锂电池，如 2S（7.4V）、3S（11.1V）等
⚫ 黑线（GND）	地线，和主控板共地
⚪ 白线（Signal）	信号线，用来接收来自MCU的PWM信号，比如STM32

输入信号是一种“伪舵机信号”：50Hz，周期20ms，高电平宽度控制转速

高电平时间	意义（一般）
1ms	停止或最慢转速
1.5ms	中间速度
2ms	最大转速

• 输出端（接无刷电机）

线数	含义
3 根粗线	三相交流输出：U、V、W（接到电机任意三根线即可，转向不对就换两根）

这些线不是正负极，而是交替输出不同相位的“伪正弦波”或“方波”电流。
• 实际使用中的接法（好盈20A）

类型	说明
电调型号	好盈（Hobbywing）20A 无刷电调
电源输入	2-3节锂电池（7.4~11.1V）
信号输入	白色为信号线，控制PWM占空比
控制方式	舵机 PWM，20ms 周期，控制 0~100% 转速
MCU 接法	信号线接 TIMx_PWM 输出引脚，GND 共地，电调自带供电不接VCC

注意GND共地。
• 电调是如何驱动无刷电机的？
• 本质上：电调在模拟“旋转磁场”，吸引转子转动，类似你用手轮流推动一个陀螺。
• 电调和PWM占空比的关系

PWM高电平宽度	电调反应
0.5ms	停止、最慢、反转等初始化位置（取决于设置）
1ms	最低转速
1.5ms	中间速度
2ms	最大转速

• 这和舵机的控制方式完全一样，兼容舵机控制器。
• 注意事项：



• 电调 = 给无刷电机“跳舞打节拍”的节拍器 + 电流放大器。它根据 PWM 信号的节奏，不断调节三相电输出，模拟旋转磁场，从而驱动永磁体转子不断旋转。

• 电调的接法：

• 输入：
• 第一幅图含香蕉头的两根线是的电源线
• 第三幅图是信号线：其中三根一起的线是信号线，接到接收机（？油门控制线）（转接板开了四个口），然后那一根黄色线是（可接入另外一个通道）

• 输出：
• 第二幅图的电机线和电机随便接。

• 关于我们无人机的结构是：
• 将四个电调电源线的香蕉头剪掉，通过焊接在无人机的金属板上。同时将电池电源线也焊接在板子上，实现电池对四个电调供电。
• 这是我们的机架图就明白走线了
• 蓝色部分为电池的焊接，红色部分为电调线的连接。
• 即实现了电池正极接接电调的四个正极，电池负极接四个电调的负极。
• 同时还有转接板的正负极也和电池相连。
• 实现了所有元件共地共电源

• 设置反推刹车：
• 油门最大，上电。听到电调响第一声，油门拉到最低，听到电调第二声、第三声，第三声为反推刹车设置完毕。再推大最大油门，即设置保存好了反推刹车。油门拉到最小后，断电。
• 反推刹车就是让电调控制电机“短时间反转”或“短接绕组”，从而实现快速减速或刹停的功能。（适合于小车）

• 油门行程校准
• 油门推到最大，上电，滴滴两声后，油门拉到低。电机开始最低速转动，则油门行程校准完成。此时不动油门，拨动反推开关，电机反转。关闭反推开关，电机正转。

• 电调解锁逻辑与正常启动流程

电调接上电池，鸣叫提示音“123”，表示上电正常

自检OK，发出长鸣音“哔——”

N声短鸣音，表示锂电池节数

推油门可随时起飞

• 电调解锁：

• 初始化信号
• STM32上电后，立即输出最低油门PWM信号（脉宽为1000us~2000us）

• 接通电调电源
• 保持最低油门信号的同时，给电调供电（接电池）。
• 电调鸣叫 123 音阶 → 表示检测到最低油门信号
• 随后发出 N声短鸣 → 表示检测到的锂电池节数（如3S电池鸣3声）
• 最后发出 长鸣"哔——" → 系统准备就绪（解锁完成）

5.5 修改寄存器直接驱动电机

5.5.1 寄存器是什么

• 寄存器分类：
• 控制寄存器：设置硬件的工作模式（如启用/禁用外设、配置时钟源等）。
• 状态寄存器：存储硬件当前的状态信息（如中断标志位）。
• 数据寄存器：用于存储传输中的数据。

5.5.2 操作寄存器的优点

1. 高效直接：
1. 寄存器操作是直接与硬件交互，速度快且资源消耗低。
2. 没有中间抽象层，硬件响应时间最短。

2. 标准化接口：
1. STM32 的所有外设都通过寄存器暴露功能，统一操作方式便于开发和调试。

3. 深入了解硬件：
1. 操作寄存器需要阅读数据手册，能更好地理解硬件工作原理。
2. 在调试或需要非常精细的控制时，直接操作寄存器更加可靠。

5.5.3 代码思路

5.6 知识点

5.6.1启用GPIOA和TIM2时钟

5.6.1.1 内存映射

5.6.1.2 GPIO

• 掩码中值为 1 的位： 表示目标位（我们关心的位）。

• 掩码中值为 0 的位： 表示非目标位（我们希望忽略的位）。

• 改为二进制码和掩码的优劣

5.7 库函数

5.8 寄存器

5.9 汇编