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外观

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一 本章简介 ​

本章是「定时器与 PWM基础」系列教程的总览和基础知识介绍。STM32F407 内部拥有多达 14 个硬件定时器，它们不仅能做简单的延时计时，更是 PWM 输出、电机控制、编码器解码等功能的核心硬件基础。掌握定时器和 PWM 的使用，是从 点灯 迈向 控制 的关键一步。

1.1 学习目标 ​

序号学习目标重要程度
1理解定时器的基本工作原理（预分频、自动重装载、计数）⭐⭐⭐⭐⭐
2理解 PWM 的核心概念（频率、占空比、脉宽）⭐⭐⭐⭐⭐
3掌握 MicroPython 中 pyb.Timer 的基本用法⭐⭐⭐⭐⭐
4了解 STM32F407 定时器资源分布和时钟来源⭐⭐⭐⭐
5了解定时器的编码器模式⭐⭐⭐⭐

1.2 重点提示 ​

  1. STM32F407 的 14 个定时器分为高级定时器（TIM1/TIM8）、通用定时器（TIM2，TIM5，TIM9~TIM14）和基本定时器（TIM6/TIM7），功能和性能各有不同。
  2. APB1 总线上的定时器（TIM2，TIM7，TIM12~TIM14）时钟为 84MHz；APB2 总线上的定时器（TIM1、TIM8~TIM11）时钟为 168MHz。MicroPython 的 Timer 类会自动处理时钟源选择，不需要像在C语言里面我们再手动计算了。
  3. 同一个定时器的多个通道共享频率（由 PSC 和 ARR 决定），但每个通道可以独立设置占空比。
  4. 部分定时器通道与筑基学习板的外设存在引脚复用冲突，使用前请确认拨码开关状态。

1.3 基础概念与术语 ​

  • 定时器（Timer）：单片机内部的硬件计数器，以固定频率递增或递减计数，到达设定值时产生事件（中断、PWM 翻转等）。
  • 预分频器（Prescaler，PSC）：将输入时钟分频后再送给计数器。例如 84MHz 时钟经过 PSC=83 分频后，计数器时钟为 1MHz（每微秒计数一次）。
  • 自动重装载值（Auto-Reload Register，ARR）：计数器的上限值。计数器从 0 计到 ARR 后归零，产生一个溢出事件。定时器频率 = 时钟 / (PSC+1) / (ARR+1)。
  • PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）：定时器的一种输出模式，在每个计数周期内，根据比较值（CCR）自动翻转引脚电平，产生占空比可调的方波。
  • 占空比（Duty Cycle）：PWM 信号中高电平时间占整个周期的百分比。
  • 编码器模式（Encoder Mode）：定时器的一种特殊输入模式，利用两个通道接收 A/B 相正交信号，硬件自动完成方向判断和脉冲计数。

二 STM32F407 定时器资源概览 ​

2.1 定时器分类 ​

类型定时器位数通道数总线时钟特殊功能
高级TIM1、TIM816 位4APB2168MHz互补输出、死区、刹车
通用（32位）TIM2、TIM532 位4APB184MHz编码器模式
通用（16位）TIM3、TIM416 位4APB184MHz编码器模式
通用（16位）TIM9~TIM1416 位1~2APB1/APB284/168MHz简单 PWM
基本TIM6、TIM716 位0APB184MHz仅计时，触发 DAC

2.2 本系列教程使用的定时器 ​

定时器用途引脚涉及资源
TIM10_CH1LED 呼吸灯 PWMPB8LED 呼吸灯
TIM13_CH1无源蜂鸣器 PWMPA6无源蜂鸣器
TIM12_CH1/CH2舵机 PWM / 电机 2 PWMPB14/PB15舵机 / 直流电机
TIM9_CH1/CH2电机 1 PWMPE5/PE6直流电机
TIM4（编码器模式）EC11 / 电机编码器 2PD12/PD13EC11 / 编码器测速
TIM3（编码器模式）电机编码器 1PB4/PC7编码器测速

NOTE

LED 呼吸灯使用 TIM10_CH1（而非 TIM4_CH3）驱动 PB8，这是因为 TIM4 在编码器章节中会被用于编码器模式（EC11 / 电机编码器 2），两者不能同时使用。选择 TIM10 可以避免定时器资源冲突。

三 MicroPython 定时器基础用法 ​

3.1 创建定时器 ​

python
import pyb

# 方式一：指定频率（推荐，最简单）
tim = pyb.Timer(2, freq=1000)  # TIM2，频率 1kHz

# 查看定时器参数
print("预分频:", tim.prescaler())
print("周期:", tim.period())
print("频率:", tim.freq())


# 方式二：手动指定预分频和周期（精确控制）
tim = pyb.Timer(4, prescaler=83, period=999)
# APB1 Timer = 84MHz
# 频率 = 84MHz / (83+1) / (999+1) = 1000Hz = 1kHz

# 查看定时器参数
print("预分频:", tim.prescaler())
print("周期:", tim.period())
print("频率:", tim.freq())

3.2 定时器回调（周期中断） ​

python
import pyb

led = pyb.LED(1)

# 创建定时器，频率 2Hz（每秒触发 2 次）
tim = pyb.Timer(2, freq=2)
tim.callback(lambda t: led.toggle())

# LED 在后台自动闪烁，REPL 仍然可用
# 停止：tim.callback(None); tim.deinit()

WARNING

定时器回调函数在中断上下文中执行，有严格限制：

  • 禁止：print()、time.sleep()、内存分配（创建列表/字典/字符串）、浮点运算
  • 允许：修改全局变量、置标志位、直接操作引脚

违反这些规则可能导致系统崩溃或行为异常。

3.3 PWM 输出 ​

python
from pyb import Pin, Timer

# 配置引脚为定时器复用功能
pin = Pin('PB8', Pin.AF_PP, af=3)  # AF3 = TIM10

# 创建定时器，设置 PWM 频率
tim = Timer(10, freq=1000)  # 1kHz

# 创建 PWM 通道
ch = tim.channel(1, Timer.PWM, pin=pin)

# 设置占空比（0~100%）
ch.pulse_width_percent(50)   # 50% 占空比

# 也可以直接设置脉宽值（0 ~ period）
# ch.pulse_width(500)  # 如果 period=999，则占空比约 50%

3.4 编码器模式 ​

python
from pyb import Pin, Timer

# 配置 A/B 相引脚
Pin('PD12', mode=Pin.AF_PP, alt=Pin.AF2_TIM4)
Pin('PD13', mode=Pin.AF_PP, alt=Pin.AF2_TIM4)

# 定时器初始化为编码器模式
tim = Timer(4, prescaler=0, period=0xFFFF)
tim.channel(1, Timer.ENC_AB)

while True:
    # 读取计数器（顺时针递增，逆时针递减）
    print(tim.counter())
    time.sleep(0.1)

运行上述代码后，确认筑基学习板的拨码开关的BIT6处于OFF状态（默认状态），此处转动天空星核心板右边的EC11旋转编码器就会在REPL终端打印出当前的编码器计数了。

3.5 精确延时与时间测量 ​

python
import pyb

# 微秒级延时
pyb.udelay(100)  # 延时 100 微秒

# 毫秒级延时
pyb.delay(500)   # 延时 500 毫秒

# 测量代码执行时间
start = pyb.micros()
# ... 你的代码 ...
elapsed = pyb.elapsed_micros(start)
print("耗时: {}us".format(elapsed))

四 拨码开关与定时器资源冲突速查 ​

本章节系列教程涉及多个拨码开关设置，这里先提前汇总方便查阅：

拨码位OFF（默认）ON影响的外设
BIT4有源蜂鸣器（PA6）无源蜂鸣器（PA6 PWM）无源蜂鸣器
BIT5舵机接口（PB14/PB15）直流电机 2（PB14/PB15）舵机 / 直流电机
BIT6EC11 编码器（PD12/PD13）电机编码器 2（PD12/PD13）EC11 / 编码器测速

IMPORTANT

每次切换实验内容时，请务必检查拨码开关状态。拨码设置错误是最常见的 硬件不工作 原因。

简单记忆：

  • 做蜂鸣器实验 → 看 BIT4
  • 做舵机或电机 2 实验 → 看 BIT5
  • 做 EC11 或电机编码器 2 实验 → 看 BIT6

五 本节参考文档 ​