AT32（四）：TMR实战——精准定时与PWM波形控制技巧-育师

1. 从零开始：理解AT32的TMR定时器

如果你刚开始接触AT32F421这类单片机，听到“定时器”这个词，可能会觉得它既基础又有点神秘。基础是因为几乎所有单片机项目都离不开它，神秘则是因为它的配置寄存器看起来有点复杂。别担心，今天我就用最直白的方式，带你彻底玩转AT32的TMR模块，特别是精准定时和PWM波形控制这两个核心技能。我自己在项目里用AT32F421做过不少东西，从简单的LED闪烁到复杂的电机控制，踩过不少坑，也总结了很多“一次配置成功”的窍门，这篇文章就是把这些实战经验毫无保留地分享给你。

AT32F421的定时器，官方叫TMR，其实和STM32的TIM是类似的东西，但它在一些细节上做了优化。我们主要会用到两种：基础定时器（比如TMR6）和通用定时器（比如TMR3）。你可以把基础定时器想象成一个只会“数数”的简单闹钟，它数到设定的时间就“响”一下（产生中断），功能纯粹，非常适合做精准的延时。而通用定时器就像是一个多才多艺的瑞士军刀，它不仅能数数，还能输出特定波形（PWM）、测量外部信号的宽度（输入捕获），甚至多个定时器还能联动工作。我们今天的实战目标很明确：第一，用TMR6实现一个2秒的精准定时，并且在这期间检测按键；第二，用TMR3生成一个频率和占空比都可调的PWM波；第三，还是用TMR3，来捕获并测量一个外部PWM信号的参数。听起来是不是很有用？我们一步步来。

在开始写代码前，有个小建议：一定要把时钟树搞清楚。AT32F421的定时器时钟来源于AHB总线，你的系统时钟配置直接决定了定时器“数数”的快慢。我见过不少朋友代码逻辑都对，但定时时间就是不准，八成是时钟没配对。比如，如果你系统时钟配成了120MHz，那么定时器计数一次的时间就是1/120微秒，这是所有计算的基础。好了，理论铺垫就这些，我们直接进入实战环节。

2. 微秒级精准定时：TMR6的实战配置

我们先来解决第一个问题：如何用TMR6实现一个2秒的定时，并且在定时期间随时响应按键？这个场景非常典型，比如你的设备上电后，需要一个短暂的“等待配置”时间，如果用户在这期间按下某个键，就进入配置模式，否则就进入正常运行模式。

2.1 定时器核心参数：PR与DIV的计算

配置定时器，本质上就是配置两个核心寄存器：自动重载寄存器（TMRx_PR）和分频器（TMRx_DIV）。定时器计数时钟（CK_CNT）的频率等于输入时钟（CK_PSC）除以（DIV+1）。计数器从0开始向上数，每来一个CK_CNT时钟就加1，一直数到PR的值，然后产生一个更新事件（溢出），同时计数器清零重新开始。所以，定时周期T的计算公式是：T = (PR + 1) * (DIV + 1) / TMRx_CLK其中TMRx_CLK是定时器的输入时钟频率。

假设我们的系统AHB时钟是120MHz，并且TMR6直接挂载在AHB上（即TMR6_CLK = 120MHz）。我们需要2秒的定时，即T=2s。这里有个技巧：PR和DIV都是16位寄存器，最大值是65535。如果我们直接把2秒换算成计数次数，会是2 * 120e6 = 240,000,000次，这远远超过了65535。所以我们必须借助分频器DIV来降低计数频率。

一个常用的方法是先确定PR的值，再反算DIV。为了让定时器分辨率更高（即计数的“步进”更精细），我们通常希望PR尽可能大。我们可以先把PR设为最大值65535（即0xFFFF），然后计算需要的DIV：DIV = (T * TMRx_CLK) / (PR + 1) - 1代入数值：DIV = (2 * 120e6) / (65535 + 1) - 1 ≈ 3661.8，取整为3662。这样配置后，实际的定时时间会有一点点误差，但对于2秒来说，这点误差通常可以接受。如果你想追求极致的精度，可以调整PR和DIV的值进行微调。在我的代码里，我用了另一种思路，我先把目标频率（0.5Hz，对应周期2秒）换算成计数器频率，再配置分频，原理是相通的。

2.2 按键检测与中断处理的巧妙配合

光有定时器还不行，我们需要在定时器运行的同时，检测PC13按键是否被按下。这里的关键是如何让主循环和定时器中断协同工作。一个常见的错误设计是：在定时器中断服务函数里做长时间的延时或复杂的打印，这会导致主程序卡死，也无法及时响应按键。

我的做法是这样的：

初始化TMR6为单脉冲模式：通过tmr_one_cycle_mode_enable(TMR6, TRUE)实现。这样定时器溢出一次后就会自动停止，而不是周而复始。这正好符合我们“只等2秒”的需求。
设置一个全局状态标志：比如char TIM6OVF = 0;。在TMR6的溢出中断服务函数里，不做复杂操作，仅仅将这个标志置1。
主循环轮询：在主函数的while循环里，同时检查两个条件：一是定时器溢出标志TIM6OVF是否为1，二是按键是否被按下（TX标志是否被置1）。只要有一个条件满足，就跳出循环，进入后续的模式判断。
按键消抖：原始代码中使用了usrkey_state()函数，它内部应该已经做了消抖处理。如果你自己写按键检测，一定要记得消抖，通常用简单的延时或状态机来实现，避免一次按下被误判多次。

这种“中断置标志，主循环查询”的模式，在单片机编程中非常经典和实用。它既保证了中断响应快，又避免了在中断里处理复杂逻辑带来的风险。当2秒超时后，TIM6OVF变为1，程序知道用户没有按键，进入PWM捕获模式。如果在2秒内按键按下，我们手动将TX置1，并立即复位和停止TMR6（tmr_reset(TMR6);），然后跳出循环，进入PWM产生模式。

注意：在初始化TMR6并开启计数之前，一定要先初始化好串口等打印调试工具。因为TMR6的tmr_base_init函数可能会软件触发一次溢出中断，如果中断服务函数里调用了printf，但串口还没初始化，程序就会卡死。我的代码里把USART初始化放在了TMR6初始化之前，就是这个原因。

3. PWM波形生成：用TMR3输出可控波形

搞定精准定时后，我们进入更精彩的部分：用通用定时器TMR3生成PWM波。PWM（脉冲宽度调制）可以说是单片机控制外部世界的“魔法棒”，控制LED亮度、电机转速、舵机角度都离不开它。AT32的通用定时器通常有多个通道，每个通道都可以独立配置成PWM输出模式。

3.1 频率与占空比：精度优先级的抉择

生成PWM，最核心的就是设定两个参数：频率（或周期）和占空比。在16位定时器的限制下（PR和DIV最大65535），鱼与熊掌有时难以兼得。你想获得一个非常高的频率（比如100kHz），周期精度可以很细，但此时计数器最大值（PR）会很小，导致占空比可调节的级数变少，精度下降。反之，如果你想获得非常精细的占空比调节（比如用于高精度DAC模拟），就需要把PR设得很大，这又会限制你能生成的最低频率。

我的sigle_pwm_gen函数里引入了一个accuracy_priority_type参数，让你可以根据应用场景优先保证某一项的精度。

DUTYCYCLE优先级：适用于对占空比精度要求极高的场景，比如LED调光要求65536级无闪烁。此时，函数会将PR固定为最大值0xFFFF，然后通过调整DIV的值来逼近你想要的频率。由于PR最大，占空比寄存器（CxDT）可以有0~65535共65536个取值，占空比精度达到1/65536。代价是频率的精度会有所牺牲，并且可生成的频率范围有下限（计算可知，在120MHz下，周期不能小于547微秒）。
PERIOD优先级：适用于对频率精度要求极高的场景，比如生成一个非常精确的音频频率。此时，函数会将DIV固定为0（即不分频），然后通过调整PR的值来得到精确的周期。这样，每个计数步长对应的时间是固定的（1/120MHz ≈ 8.33纳秒），周期精度最高。代价是占空比的可调级数受限于PR的大小。

你可以根据你的项目需求来选择模式。比如控制舵机，需要的是50Hz的固定频率和精确的脉冲宽度（占空比），那么用PERIOD优先级，固定DIV=0，计算PR=23999（对应120MHz/（23999+1）=50Hz），然后通过CxDT来精确控制0.5ms到2.5ms的高电平宽度。

3.2 通道配置与极性设置

选定PR和DIV后，就要配置具体的输出通道了。我们用的是TMR3的通道1，对应引脚PA6。AT32的PWM输出模式主要两种：PWM模式A和PWM模式B。它们的区别在于输出电平与计数值比较结果的对应关系。

PWM模式A：当计数器值小于通道捕获/比较寄存器值（CxDT）时，输出有效电平（可设置为高或低）；大于等于时，输出无效电平。
PWM模式B：与模式A相反，当计数器值小于CxDT时，输出无效电平；大于等于时，输出有效电平。

通常我们使用PWM模式A。配合oc_polarity（输出极性）和oc_idle_state（空闲状态）这两个参数，可以灵活定义你想要的波形。例如，想要一个“高电平有效”的PWM（即占空比期间输出高电平），可以这样配：

tmr_oc_init_structure.oc_mode = TMR_OUTPUT_CONTROL_PWM_MODE_A; tmr_oc_init_structure.oc_polarity = TMR_OUTPUT_ACTIVE_HIGH; // 有效电平为高 tmr_oc_init_structure.oc_idle_state = FALSE; // 空闲（非有效）时输出低电平

这样，当计数器从0数到CxDT-1时，输出高电平；数到CxDT到PR时，输出低电平。占空比就是CxDT / (PR+1)。

最后，记得使能通道输出（tmr_channel_enable）和使能定时器计数器（tmr_counter_enable），PWM波形就会从PA6引脚输出了。你可以用示波器或者逻辑分析仪接到PA6上，亲眼看到你生成的波形，这是最有成就感的一步！

4. PWM波形捕获：测量外部信号的秘诀

学会了输出，再来学输入。有时候我们需要测量一个外部信号的频率和占空比，比如读取旋转编码器的速度、测量遥控器的PWM信号等。这就是PWM输入捕获功能。AT32的通用定时器可以轻松实现这个功能，而且精度很高。

4.1 输入捕获与从模式联动

PWM捕获的原理，简单说就是测量一个完整周期内高电平的时间。这需要两次捕获：一次在上升沿，一次在下降沿。如果只用一个通道，就需要在中断里切换捕获边沿，计算稍显麻烦。AT32提供了一个更聪明的办法：使用两个通道，并结合定时器的“从模式”。

在我的sigle_pwm_cap函数中，使用了TMR3的通道2（PA7）作为输入捕获引脚，配置为上升沿触发。但关键在于后面的配置：

触发源选择：tmr_trigger_input_select(TMR3, TMR_SUB_INPUT_SEL_C2DF2);这句话的意思是，选择通道2的滤波后数据（C2DF2）作为定时器的触发输入源。也就是说，通道2捕获到的事件，可以触发整个定时器。
从模式设置为复位模式：tmr_sub_mode_select(TMR3, TMR_SUB_RESET_MODE);这是点睛之笔。在此模式下，当选择的触发输入事件（即通道2的上升沿）发生时，定时器的计数器会立刻被清零复位。
使能从同步模式：tmr_sub_sync_mode_set(TMR3, TRUE);启用这个联动功能。

这一套组合拳下来，实现了什么效果呢？外部PWM信号的每一个上升沿到来时，TMR3的计数器都被清零重启。同时，我们将通道1配置为下降沿捕获（注意，代码中是通过tmr_pwm_input_config函数内部配置的，它会把另一个通道自动配为相反的边沿）。这样：

在上升沿（通道2事件），计数器清零，我们记下这个时刻（实际上计数器是0，不用记）。
在接下来的下降沿（通道1事件），计数器已经累加了高电平的时间，我们读取通道1的捕获值（CCR1），这个值就是高电平的计数值。
在下一次上升沿（通道2事件），计数器再次被清零，但在此之前，计数器已经累加了一个完整周期的时间。此时，我们读取计数器的值（或者直接读取通道2的捕获值CCR2，因为在复位模式下，上升沿时也会触发捕获），这个值就是整个周期的计数值。

有了高电平计数值和周期计数值，频率和占空比就很容易计算了：频率 = 定时器时钟频率 / 周期计数值占空比 = (高电平计数值 * 100) / 周期计数值

4.2 中断处理与数据计算

所有的捕获事件都会触发中断。在TMR3_GLOBAL_IRQHandler中断服务函数中，我们需要判断是哪个通道的中断，并读取对应的捕获值。

对于通道1中断（下降沿），我们读取tmr_channel_value_get(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_1)，这就是高电平时间t_high。
对于通道2中断（上升沿），我们读取tmr_channel_value_get(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_2)，这就是整个周期t_period。

这里有一个细节：必须在中断里及时清除对应的中断标志位，否则会连续进入中断。使用tmr_flag_clear(TMR3, TMR_C1_FLAG)来清除。

计算得到的频率和占空比，我存放在了全局变量PWMin_frequency和PWMin_dutycycle中，并在主循环里打印出来。这里又有一个实战经验：避免在中断服务函数中进行耗时操作，如浮点运算或格式化打印。我的做法是在中断里只做简单的整数乘除，将结果存入全局变量。复杂的打印操作放在主循环中。虽然主循环的打印可能会被中断打断，但因为我们只是显示数据，即使数据在更新中途被读取，显示值跳动一下，也不会影响系统的核心功能，这是一种实用的取舍。

5. 调试技巧与常见问题避坑指南

代码写完了，能不能一次成功？大概率会遇到问题。分享几个我调试时遇到的坑和解决方法，希望能帮你节省时间。

问题一：定时器时间不准。

检查时钟源：确认crm_clocks_freq_get获取到的AHB时钟频率是不是你预期的值。如果系统时钟配置错了，一切都白搭。
检查PR和DIV的计算：用手算或打印出来看看，是不是超出了0~65535的范围。特别注意公式里的“+1”和“-1”，很容易漏。
检查计数器方向：tmr_cnt_dir_set(TMR6, TMR_COUNT_UP)是向上计数，这是最常用的。确保没有配错。

问题二：PWM输出没有波形。

检查GPIO复用：这是新手最容易忽略的一点！PA6要输出TMR3的通道1波形，除了配置GPIO为复用模式，必须调用gpio_pin_mux_config(GPIOA, GPIO_PINS_SOURCE6, GPIO_MUX_1);将引脚映射到正确的复用功能上。AT32F421的PA6，其TMR3_CH1功能通常对应GPIO_MUX_1，具体要查数据手册的复用功能表。
检查通道是否使能：tmr_channel_enable(TMR3, TMR_SELECT_CHANNEL_1, TRUE);这行代码加了吗？
检查总输出使能：有些定时器有刹车和死区控制，通用定时器TMR3没有，所以不需要tmr_output_enable。但如果有，一定要打开。

问题三：PWM捕获不到数据，或者数据乱跳。

检查输入引脚配置：和输出一样，输入引脚PA7也要配置为复用模式并映射到GPIO_MUX_1。
检查从模式和触发源配置：确保tmr_sub_mode_select、tmr_trigger_input_select和tmr_sub_sync_mode_set这几条语句按顺序正确配置，并且参数匹配。
检查中断标志清除：在中断函数里，是不是只清除了发生中断的那个标志？如果该清除的没清除，会一直进中断；如果错清了别的标志，可能导致数据丢失。
信号质量问题：如果外部信号有毛刺，可能会导致错误的边沿检测。可以尝试增大输入滤波器值input_filter_value，这个值表示需要连续多少个采样点一致才认为边沿有效，可以有效滤除噪声。

关于原始文章末尾提到的“无法解释的问题”：即在中断禁止寄存器（IDEN）中未使能某个中断，但中断状态寄存器（ISTS）却显示了该中断标志。这种情况我确实也遇到过，尤其是在复杂定时器操作和从模式联动时。一种可能的解释是，某些定时器内部操作（如软件触发、从模式复位）会强制设置相应的状态标志，即使该中断在IDEN中被禁用。这些标志位可能只是状态指示，并不一定会导致CPU跳转到中断向量。关键在于，只要你在中断服务函数中，通过tmr_flag_get判断并处理了已使能的中断，然后清除它们，系统就能正常工作。对于这些“额外”的标志，如果你不使能它的中断，也不在中断服务函数里读取它，就可以忽略。当然，最严谨的做法是查阅芯片的勘误手册，里面可能会记录这类硅片行为，或者咨询原厂技术支持。在实战中，遵循“处理所需，忽略其余”的原则，通常能让项目快速推进。