第二篇内容已经出来 STM32 HRTIM 学习心得（2）：控制输出 PWM/SPWM/带死区的互补SPWM ，结合了本篇进行了 2 种波形的简单输出。

1. STM32 HRTIM 硬件框图

下面是 STM32G474 系列的 HRTIM 定时器的硬件框图：

其有一个 Master Timer 和一共 6 个独立的定时器 A-F Timer，每个 Timer 内部又有独立的 4 个 CMP 和独立的两路输出通道 HTIM_CHx1/2。

Cross-timer counter reset bus 总线可以将所有的定时器包括 Master Timer 连接在一起，使得每个定时器都可以接收总线上其他定时器发出的同步信号，同时所有定时器都可将自身的某些事件作为同步信号发送到总线上。

以定时器 Timer A 为例，其可以接收到来自 Cross-timer counter reset bus：

• Master timer period event
• Master timer cmp1/2/3/4 event
• Timer B cmp1/2/4 event
• Timer C cmp1/2/4 event
• Timer D cmp1/2/4 event
• Timer E cmp1/2/4 event
• Timer F cmp1/2 event

通过 Cross-timer counter reset bus，可以将所有的子定时器都与主定时器进行同步，也可以将所有的定时器分为几组，分别工作。

2. Master Timer

先详细了解一下 Master Timer：

2.1 $f_{HRTIM}$

从左到右看，HRTIM 基准的时钟是来源于 $f_{HRTIM}$ ：HRTIM 的主时钟，其对应硬件框图中的 hrtim_ker_ck 时钟，所有 HRTIM 内部定时器（Master Timer 以及 A ~ F Timer）的分频和同步的基准时钟；

$f_{HRTIM}$: main HRTIM clock (hrtim_ker_ck). All subsequent clocks are derived and synchronous with this source.

$f_{HRTIM}$ 进入一个分频器，这个分频器对应 CubeMx 中的 Prescale Ratio，它不仅可以分频，还可以进行倍频：

例如：我设置倍频率为 32，那么我的 Master Timer 的计数器运行频率就是 170MHz * 32 = 5440 MHz = 5.44 GHz，即 Master Timer 的 Counter 每秒可以计数 5.44G 次，通过这个我们可以配置 PWM 的输出频率；

例如：我期望输出的 PWM 频率为 20KHz，设置 Prescaler Ratio 为不分频不倍率频，那么 $f_{HRTIM}$ 为 170MHz，则我应该设置的 Period 的值为 $Period=\frac{170MHz}{20KHz}=8,500$

这就是 Precalor 和 Period 的用法，对 Timer A ~ F 定时器也是如此。

2.2 Counter

详细看一下 Counter，HRTIM 的 Counter 有三种工作模式：

• Single-shot Non-retriggerable
• Single-shot Retriggerable
• Continuous mode

这三种工作模式的区别如下：

首先，看一下 Continuous mode 模式，在接收到 Enable 信号（TxEN）后，计数器启动计数、一直到达 Period 后自动重载，然后重新计数，如果在计数期间接收到任何 Reset 信号（这个信号可以来源于前面提到的 Cross-timer counter reset bus），则触发重新计数；

再看一下两个 Single-shot 模式：

• 第一种 Single-shot Non-retriggerable，在接收到 Reset 信号后触发计数、在达到 Period 的值之前无法被 Reset，如果计算器达到 Period 的值之后会暂停；
• 第二种 Single-shot Retriggerable，则可以在计数中途被 Reset 信号触发，清空计数值重新计数；

2.3 Compare

普通的定时器输出的 PWM 中的高电平部分，要么在前部分，要么在后部分。例如，下面这个占空比百分之 25% 的 PWM 方波，其高电平位于后百分之二十五的部分，如果我们期望任意调控高电平部分的位置，甚至期望每个 PWM 的周期内，都可以灵活调整高电平出现的位置和宽度，那么 HRTIM 就提供了这个功能，也就是 4 路 Compare 的功能；

图片来源于 https://cloud.tencent.com/developer/article/2438631

这里以 Timer A 定时器的 Compare 为例，我们都知道 Timer A 有两个输出端口 CHA1 和 CHA2，其中 Compare1 和 Compare2 就是控制输出端口高电平在 PWM 中出现和消失的时刻：

例如，上图设置了 CMP1AR 寄存器为 0x80 和 CMP2AR 寄存器为 0x150，那么 CHA1 会在 Counter 达到 0x80 时控制端口输出高电平，在 Counter 达到 0x150的时候拉低端口输出，通过动态调整这两个寄存器的值，我们就可以灵活调控 PWM 的输出情况；

当然，这个是对于 Timer A ~ F 定时器的功能，我们都知道其实 Master Timer 没有输出的端口，那么这个 Master Timer 的 Compare1~4 就很简单，作为一个 Timer Reset 的信号源。

2.4 Half

仔细看 Compare 1 旁边还有个 Half 的功能：

按照手册原文的描述就是它可以使得 Compare 1 寄存器的值变为其原本的二分之一（HRTIM_PERxR/2），这个功能可以使得 PWM 的占空比动态扩大到原来的一半，这功能适用于当你有需要调整 PWM 为原来两倍的时候或者缩小两个的时候使用；

This mode aims at generating square signal with fixed 50% duty cycle and variable frequency (typically for converters using resonant topologies). It allows to have the duty cycle automatically forced to half of the period value when a new period is programmed.
This mode is enabled by writing HALF bit to 1 in the HRTIM_TIMxCR register. When the HRTIM_PERxR register is written, it causes an automatic update of the compare 1 value with HRTIM_PERxR/2 value.

2.5 Repetition

最后看一下 Period 上面的那个 Counter 和 Repetition 寄存器，这块功能是为了减少 CPU 的负担，减少中断信号触发次数而设计的，当计数器被 Reset 或者达到 Period 寄存器的值触发重新计数（连续模式下）时，都会使得 Repetition 的值减一（最小不小于零），当 Repetition 的值为 0 时，每次 Counter 被 Reset 或者达到 Period 寄存器的值时都会触发 REP 中断；

例如：当 Counter 工作在连接计数模式时：

上面分别是 REPxR （Repetition 的计数器值）为分别为 0、1、2，都只在 REPxR 寄存器为 0 时候触发中断。

2.6 External Synchronization Unit

HRTIM 不仅可以通过内部如 Period、Repetition、Compare 产生一些信号（事件），也可以通过外部一些外设，如：片内外设、芯片外部的一些信号（如：通过 GPIO 引脚触发）等产生一些同步信号，例如在最前面的框图中：

可以看到其可选的外部同步信号源高达 10 路，在 CubeMx 中我们可以配置这些外部信号：

我们通过配置 EEV Pin 的输入也可以指定芯片外部同步信号：

2.7 Crossbars

最后看一下 Master Timer 最后一个部分，位于最右边的 Crossbars：

Master Timer 可以往 Crossbars 上发送 6 个事件、SYNC 是由左上角的 External Synchronization Unit 提供的，回到最原先的硬件框图中，我们可以看到所有的定时器的输出都会被接入到 Crossbars 中：

这个 Crossbars 可以最终控制各个 CHx1/2 端口的输出，例如：控制其输出高电平或者控制其输出低电平，详细请自行参考手册。

3. Timer A ~ F

Timer A ~ F 的框图和 Master Timer 差不多，多了一些寄存器：

依旧从左到右来看。

3.1 Capture

这个寄存器是捕获 Counter 的作用，可以理解其可以根据事件捕获 Counter 的值：

例如：左侧这些事件都可以触发，Capture1 捕获当前 Timer A 的 Counter，这个可以作为我们两个事件的时间间隔，也就是 timing。

Capture 1 和 Capture 2 可以作为控制 Compare 2 和 Compare 4 的触发信号（前面我们了解到了 Compare2 和 Compare 4 有拉低端口为低电平的功能）。例如，我们希望一旦触发某个信号（事件），就拉低 PWM 的输出，那么就可以借助这个 Capture 寄存器来捕获这个时刻的计数器值，然后将其传递给 Compare 2 和 4 就能实现这个功能。

如果我们希望触发某个信号后，再自动延时个比如 5 个计数器的时间，再触发 Compare 2 和 4 起作用呢？那么就可以借助 autodelay 寄存器。

3.2 AutoDelay

刚刚我们提到可以设置 Capture1 的触发 Compare 2 和 Compare 4，这需要借助 Autodelay 这个寄存器：

autodelay 可以理解它会根据触发信息，能够基于触发信号触发的时刻（基于计数器的值），自动在这个时刻的基础上，加上一个延时后去关闭 PWM 的输出。通俗点说，比如我们希望一旦某个信号触发就触发 PWM 被拉低，或者我们希望某个信号触发后，再等待延时 5 个计数器时间，再拉低，那么这当中的再等待 5 个计数器的时间就可以通过设置 autodelay 这个寄存器来实现；

下面是一个 Capture1 控制 Compare 2 寄存器的例子，在 Counter 等于 2 的时候输出高电平，接着大概在 Counter 等于 4 的时候触发 External event 被 Capture 1 捕获（记录其计数值为 7），接着在下一次计数器到达时（计数值为 8），Capture 1 控制了 Compare 2 寄存器，然后 Compare2 在当前的基础上等个 Preload 的时长 5 个计数器后，即到达 $5+7=12$ 时刻，触发 Compare 2 其作用。

为什么是 12 时刻起作用呢？或者说，autodelay 是如何起作用的？

这要仔细看一下 Capture1、Counter 和 Compare2 是如何交互的：

他们的交互由寄存器值 DELCMP2[1…0] 来控制：

• 取值为 00 时（Regular compare mode）：不启用 Capture 和 autodelay 的功能，也是最一开始介绍的 Compare2 的功能，当计数器到达 Compare2 的值时就拉低引脚输出低电平；

• 取值为 01 时（Auto-delayed mode）：启动 autodelay 功能，这时候的 Compare 2 的值会在 Capture 1 的事件触发后起作用。

• 取值为 10 时（Auto-delayed mode with timeout）：如果启用了 Capture 1 功能，则会在 Capture 1 的事件触发后起作用。若没有启用 Capture 1 功能，则会在 Compare 1 事件触发后，开始工作；

  例如：我们希望 Compare 1 输出后，再 10 个计数器后自动拉低 PWM 就可以采用这个模式，设置 Compare 2 寄存器的值为 10 个时刻，那么在 Compare 1 事件触发后，自动等待 10 个时刻后 Compare 2 也会触发；

• 取值为 11 时（Auto-delayed mode with timeout）：如果启用了 Capture 1 功能，则会在 Capture 1 的事件触发后起作用。若没有启用 Capture 1 功能，则会在 Compare 3 事件触发后，开始工作；

4. 输出部分

最后看一下输出端口这部分内容：

输出端口的介绍对应，在参考手册里面是位于 Output management 章节，其硬件款图如下：

Timer 定时器的信号会先经过一个 Chopper，因此我们先看一下这个 Chopper 是干嘛的。

4.1 Chopper

Chopper 的硬件框图如下：

Chopper 是一种斩波机制，STM32 里面这个 Chopper 是作用是生成高频载波信号叠加到原来的 PWM 上面，开启这个功能后输出的 PWM 就从原本的方波，变成如下的波形：

放大一点看细节：

可以看到输出的波形，从原本的方波变成了高电平部分变成了高频的交变信号输出。

那么，这种波形有这么作用呢？

在驱动一些高压器件时候，如电源里的 MOSFET 时，我们可能需要在高压侧和低压侧（MCU 控制信号端）加一个隔离芯片或者叫驱动芯片，将小信号转成大功率信号。例如：三相逆变器的上管驱动传统方案是需要3个隔离电源 + 3个驱动芯片 + 6路隔离；如果使用了 Chopper 后，我们输出信号就能够穿过变压器，那么就可以利用隔离变压器作为隔离那么只需要 3 个小变压器即可实现类似的功能。

STM32G474 的 Chopper 可以叠加频率取决于对 $f_{HRTIM}$ 的分频，例如：170MHz 的 $f_{HRTIM}$ 官方手册说可以叠加的载波频率为 664 kHz 到 10.625 MHz。此外还可以在对原始信号，增加一个延迟，例如：先输出 1ns 的高电平，后再让输出变为斩波形式：

4.2 Output state

从 Chopper 出来的信号经过一个三项门电路输出选择后输出到实际的端口上，分为三种情况：

这三种情况的状态转移图，如下所示：

• ODIS：Output Disable，当设置这个位后，切入到 IDLE 状态，可以通过 ODS（Output Disable Status）寄存器的值来判断 ODIS 的状态；
  有两种情况会触发 ODIS 被设置，一个是通过软件设置，另一个是故障保护、硬件保护和刹车（breakpoint）自动触发；
• OEN：Output Enable，当设置这个位后，如果在 FAULTx[1:0] 没有出现故障的情况下，会切入的 RUN 状态，此时端口正常输出；如果此时有故障等情况则切入到 FAULT 状态；

4.3 Fault Protection

因此，我们详细看一下 Fault Protection 的内容，其硬件框图如下所示：

HRTIM 配备多功能故障保护电路，可在异常运行时禁用输出端。一旦触发故障，输出端将进入预设安全状态，该状态将持续保持直至软件重新启用。若发生永久性故障，即使软件尝试重新启用，输出端仍会保持故障状态，直至故障源消除。

可以通过 HRTIM_FLTINR1 和 HRTIM_FLTINR2 寄存器进行配置故障的来源。FLTxSRC[1:0]位用于选择故障信号的来源，该信号可为数字输入或内部事件（内置比较器输出）。

为了避免误判，对于故障模块里面是有个独立的计数器：

下面的 Fault input 在中途恢复了此时故障计数器就被清理零，下次再检测到故障输入，计数器会重新计数，当其达到设定的值（4）时候触发故障信号。

故障计数器的值和 $f_{HRTIM}$ 的联合取值，决定了故障保护的响应时间，这个可以自由配置：

下面是一个故障保护的例子：

当计数器达到 3 时刻，触发了故障保护，PWM 的输出被关闭（这关闭时候的输出电平也可以自行配置）。

5. 小结

自此，基本介绍完了 HRTIM 定时器的核心功能，当然还有很多小功能，例如：设置 deadline 死区时间等。但我觉得，如果大家已经从总体上对这个外设有个清晰的认识，那么再去看这些小功能也会简单很多。

这篇可能会有一些细节上的错误，但是我个人感觉无关紧要，主要是从整体要对这个 HRTIM 有个清晰的认知，需要知道它有什么功能，这些功能有什么作用，至于怎么开启这些功能，大家需要仔细研究手册；