圧電ブザーは発振回路を内蔵しており仕様に応じた電圧をかけると共鳴して音が発生する部品です。これとよく似た部品に圧電スピーカー（サウンダー）がありますが、こちらは発振回路を内蔵しておらず任意の周波数パルスを与えて音を発生させます。

今回のアプリでは圧電ブザー、圧電スピーカー両方で使用できるものに挑戦したいと思います。

このタイプは極性があり、プラス側(ピン足の長い方）に直流電圧、マイナス側にGNDを接続すると規定の音(2,300Hz)が発生します。

ブザーに与える電圧はマイコン電圧と同じ3.3VDCを与えることにします。固定電圧の場合は連続音、3.3VDCのパルスにすると断続音になります。

圧電スピーカーの場合は発振回路がないので直流電圧を与えるだけでは音は発生せず、外部から音に応じた周波数のパルスを与える必要があります。断続音にしたい場合はこの発生パルスを断続的にブロック状態で発生させます。

今回のアプリでは圧電ブザー/圧電スピーカ ーのどちらでも使用できるものとして、任意の周波数をブロック状態で発生させたものを圧電ブザーに与えて音を発生させることにします。

部品によっては保護抵抗として1k程度のものを直列に接続する必要がありますが、今回のものは抵抗があると機能しませんでしたので使用していません。保護抵抗の有無は仕様書等で確認してください。

タイマTIM3で一定幅のパルスを任意の間隔で発生させます。PWM出力機能を使用すると簡単です。任意の間隔（発生音の頻度）はTIM3タイマのサイクルを設定する 自動リロードレジスタ（ARR） の設定値を調整します。出力パルスの幅（発生音の長さ）はPWM設定の一つで キャプチャコンペアレジスタ(CCR) の設定値を調整します。タイムチャートで検討しながら設定すればよいです。

圧電ブザーの場合はこのTIM3の出力（PA6）を与えるだけでよいのですが、圧電スピーカーの場合は各パルスが更に細かい音源の周波数で構成されたものでなければいけません。そこで、もう1段タイマTIM4を追加します。

タイマTIM4には音源周波数のパルスを出力するように設定して、タイマTIM3のパルス出力時にのみタイマTIM4の細かい音源パルスが出力されるようにすればよいのです。デジタル論理回路のAND回路のような感じです。

この場合は、タイマTIM3の出力に同期した割り込みを使います。カウントサイクル毎に発生する更新イベント割り込みとPWM出力のキャプチャコンペア割り込みを利用してタイマTIM4のパルスを発生させたり、停止させたりします。

プログラムのアウトラインです。今回は割り込みだけで処理しています。

使用するペリフェラルはTIM3とTIM4およびそれぞれGPIOのAポートとBポートです。

TIM3_CH1の設定です。TIM3_CH1へのカウンタクロックを10kHzに設定してサイクルを自動リロードレジスタARR_TIM3で設定しています。ARR_TIM3が10000の場合はPWMモード時の周期は1秒です。

カウント中に自動リロードレジスタARR値を任意に変更したい場合はカウンタモードをダウンカウンタに設定しておきます。

カウンタモードはPWMモード1か2に指定します。PWMモードのキャプチャコンペアレジスタCCRはメンバTIM_Pulseに設定します。この値でパルス幅を調整できます。

タイマTIM3_CH1のサイクル更新毎に発生する更新イベント割り込みTIM_IT_UpdateとPWMのキャプチャコンペア時に発生するキャプチャコンペア割り込みTIM_CC1を有効にしてからカウンタを開始します。

次にTIM4_CH1の設定です。圧電スピーカーで発生する音源パルスを設定します。このタイマもPWMモードを指定します。メンバTIM_Periodeの自動リロードレジスタ(ARR)でパルス周期を、 圧電スピーカーの場合はARRに音源に対応した周波数になるように設定します。メンバTIM_Pulseのキャプチャコンペアレジスタ(CCR)で パルス幅を設定します。これは通常ON/OFF比率50%のduty比でよいのではないでしょうか。

PWMモードで2.5kHzのパルス（duty比50％）が出力する設定になっています。

発振回路を内蔵している圧電ブザーにはTIM4のパルス設定は必要はないので、PWMモードキャプチャコンペアレジスタでパルス幅（duty比）を大きめに設定しておく方が本来の音に近づきます。

最後に割り込みの設定です。TIM3_CH1のPWM出力キャプチャコンペア割り込み でTIM4_CH1をPWMモードでカウントを開始させます。 TIM3_CH1の カウントサイクル毎に発生する更新イベント割り込みでTIM4 _CH1を強制的に出力ゼロにしています。ここでは適当なファームウェア関数の代わりにレジスタを直接操作しています。

設定したTIM3とTIM4で発生するパルスは下記のようになります。TIM3のパルスに同期してTIM4が発生しています。今回のアプリ例ではTIM3のパルスは固定ですが、動作中に間隔(ARR)やパルス幅 (CCR) を変更するものに発展させてみてください。

実際の圧電ブザー音です。TIM4のPWM出力によるduty比が50%ではすこしかすれた感じの音なので90%程度に設定したら本来の音に近づきました。

発振回路の内蔵していない圧電スピーカーの場合は TIM4によるパルス周波数を変えると音色が変わりますので、TIM3のPWMによりパルス幅を調整して音長を変えたものと組み合わせるといろいろと面白いとおもいます。

この機能を使えば、例えば、モータ軸に直結したエンコーダからのパルスを計測開始時に基準位置としてプリセットしてからアップダウンカウントさせると基準位置からモータが回転した量がわかるのです。

今回のアプリケーションでは「エンコーダの回転速度測定」で使用する回路と共通です。
今回はエンコーダ出力の2相パルスを使用しますのでTIM3のCH1とCH2を入力とします。
実際のプログラムでの設定を解説していきます。

タイマの初期設定は「ロータリーエンコーダのパルス速度測定」と同じですので省略します。
エンコーダインターフェースモードに設定するにはTIM_EncoderInterfaceConfig()関数を使用します。この関数の使い方詳細は「タイマ・カウンタ【STM32の高機能・汎用タイマ詳細】」の「タイマの応用」で解説していますので参照してください。

ユーザースイッチを押して任意の値にプリセットします（ここでは上限値32000の中間16000を基準）。

エンコーダインターフェースモードでCH1,CH2両方のエッジを検出する設定にしている場合は４逓倍となり、180p/r分解能のエンコーダの場合は軸を時計方向に1回転まわすと720増加(または減少)し、反時計方向に1回転回すとその逆の720減少（または増加）していれば成功です。

CH1,CH2どちらかのエッジを検出する設定にしている場合は2逓倍になり、1回転あたり360増加（または減少）します。

モーターの回転位置がわかれば、モータをアクチュエータとして動かす機器で任意の量だけ動作させて止めて次の動作につなげるアプリケーションが実現できるようになります。

パルス速度は単位時間当たりのカウント数のことですので外部パルスをカウントできる機能を使えればよいわけです。

今回のアプリケーションで使用するエンコーダはオープンコレクタ出力タイプ仕様のものです。オープンコレクタの出力はトランジスタのコレクタが出力端子のタイプでコレクタ、エミッタも開放状態の無電圧接点です。マイコンに接続するにはコレクタ側をプルアップし、エミッタ側はGNDとします。

エンコーダパルスをSTM32で計測（カウント）するにはペリフェラルのタイマに入力として接続します。下記に接続例を示しますが、速度計測にはエンコーダ出力の2相のうち1つだけを使用します。STM32の外部パルス計測機能を使用するにはタイマのCH1とCH2だけで使用できます。

実際のプログラムでの設定を解説していきます。

GPIO設定ではエンコーダのオープンコレクタ出力をTIM3のCH1にプルアップ接続します。
TIM3設定ではアップカウントに設定しておきます。TIM.Periodにはカウント値がオーバーフローしない程度の値にしておきます。

外部クロックモードに設定するにはTIM_TIxExternalClockConfig()関数を使用します。
この関数の使い方詳細は「タイマ・カウンタ【STM32の高機能・汎用タイマ詳細】」の「タイマの応用」で解説していますので参照してください。

カウント値を取得するにはTIM_GetCounter（TIMx)を使います。引数は設定対象タイマTIM3などを指定します。

このアプリケーション例ではRTOSを使用して100ms毎にカウント値を取得してからリセットしています。シリアル通信によりパルス速度値としてモニターさせているのですが、パルス速度は１secあたりに換算しているものです。エンコーダの分解能180p/rの場合は1秒間にちょうど1回転の速度で回転させてみるとパルス速度値は180となっていれば成功です。

エンコーダの速度がわかれば、少し高度になりますが、フィードバックすることで厳密な速度コントロールができるようになります。モーションコントロールの基本ですので挑戦してみてください。

押しボタンスイッチ入力ON時にカウンタ設定値を増減させてタイマ出力の点滅周期を変更するプログラムです。

Systickで10msの割り込みを発生させて、SysTick割り込みハンドラ内でカウンタ設定値(arr_val)を増減しています。

タイマの応用アプリケーションとしてLED点灯をPMW出力をつかった調光をおこなってみましょう。通常LEDの発光はマイコン出力のON/OFFを切り替えるだけで点灯・消灯ができるデジタル出力の典型的なものです。

マイコンのデジタル出力を使って、LEDを調光するにはどうすればいいのでしょうか。調光するというあたかもアナログ的に明るさを連続でコントロールするのにデジタル出力を使って行うのは手品みたいなものですがマイコンを使うと簡単にできてしまうのです。それでは種明かしをしていきましょう。

通常、LED点灯はマイコン出力をONすると回路がつながり点灯します。LEDを使った製品で明るさを調整して節電したり、センサに内蔵したLEDなどでは光強度を調整する機能をもたせたりするためにパルス出力で点灯をします。

LEDへの出力がパルスでも100Hz程度ではほぼ連続で点灯してみえます。このパルス出力の有利な点はパルスのON/OFF期間の比率（duty比）を変えることで明るさの強度を調整することができることと、OFFになる時間を調整することで節電ができることです。

これまでタイマ機能のうちPWM出力については解説しました。LEDの調光はこのPWMを応用したものです。このアプリケーション例では100Hzの出力パルスのON/OFF期間を調整してLEDの明るさを調整しています。

このアプリ例ではRTOSを利用して1500msごとにLEDをON/OFFするタスクと10msごとにPWMのduty比をセットするタスクを実行しています。

PWM（Pulse Width Modulation)を使用したパルス出力のアプリです。設定は固定パルスのアプリと同様でカウントクロックを1kHzに設定します。

PWM出力は変数ARR_valが1000で1Hzのパルスが発生し、1秒間隔のLED点滅となります。PWMの場合はARRのサイクルがパルス周波数となります。ARR_val値を変えると点滅周期が変わります。

変数duty_ratioが2の時、出力パルスのON/OFF比率は1:1です。duty_ratio値をいろいろ変えてみてください。点滅周期は固定ですが、点灯期間が変わります。

このアプリではTIM4のCH3を使用します。使用ピンはPB8のデフォルトオルタネート機能のTIM4です。

TIM4の設定ではタイマのカウントクロックを1kHzに設定して500カウントしてCH3から1Hzパルスを発生します。

マイコンのペリフェラル（周辺機能）のなかでもタイマ・カウンタは最も使用頻度が高いものではないでしょうか。

プログラム自体が処理時間、経過時間概念の組み合わせで成り立っていますのでタイマ・カウンタ機能は組み込み技術には欠かせないものです。これを使いこなせるようになれば幅広いアプリケーションの開発ができるようになりますのでここはしっかり理解していきましょう。

前章で解説したシステムタイマであるSysTickタイマは動作周波数であるシステムクロックをカウントして周期的に割り込みを発生させてその中で処理をする比較的簡易なものでした。ただし、割り込み処理をCPUが実行しているので高速になるほどCPUに負担がかかります。

これに対してペリフェラルの高機能・汎用タイマはCPUとは独立した専用回路が直接出力を操作しますので、割り込み処理を必要とするシステムタイマに比べCPUに負担をかけず効率化できます。

高機能タイマTIM1,TIM8(マイコンによります)はAPB2 バスに接続されていてAPB2プリスケーラ、逓倍回路を経てクロックが供給されます（ここでは72MHzのクロック）。汎用タイマTIM2-7(マイコンによります)はAPB1バスに接続されていてAPB1プリスケーラ、逓倍回路を経てクロックが供給されます（ここでは36MHzのクロック）。

これから解説する高機能・汎用タイマはシステムタイマのように一定時間ごとの割り込みを発生させる機能に加えて、任意の周波数のパルスを発生させることもできます。

タイマに供給される内部クロックだけでなく外部からの信号や他のタイマからの出力信号をカウントすることができます。

STM32マイコンタイマの外部のクロック源をクロックとして供給する場合はタイマ用の各チャネルのピン(TIMx-CHy: xタイマ番号、yチャネル番号)をクロック入力用に使用する外部クロックモード1とタイマの外部トリガ用専用ピン（TIMx-ETR）をクロック入力用に使用する外部クロックモード2があります。

入力したクロックパルスのカウント数を格納するレジスタをカウンタレジスタといい、カウント上限回数を設定するレジスタを自動リロードレジスタ（ARR:Auto Reload Register）をいいます。

パルスのカウント方法は3つあり、カウント数0から設定値ARRまで加算する方式をアップカウント、設定値ARRから0まで減算する方式をダウンカウント、そして0と設定値ARRの間で加算、減算を繰り返す方式をセンターアラインカウントといいます。

アップカウントの場合はカウント数（カウンタレジスタ値）がARRに到達して次のカウントをしたときにカウンタオーバーフローになって、割り込みなどを発生させます。ダウンカウンタの場合はカウント数が0になって次のカウントをしたときにカウンタアンダーフローになって割り込みなどを発生させます。センターアラインカウントの場合は加算でARRに到達しオーバーフロー、減算で0に到達しアンダーフローで割り込みなどを発生させます。

各タイマにはプリスケーラと呼ばれる分周器が内蔵されています。プリスケーラは16ビットカウンタで構成されていますのでカウンタクロックを最大65535分の1（1/2¹⁶)まで任意に遅くすることができます。

カウント動作中に加算時のオーバーフローや減算時のアンダーフローが発生すると割り込みなどの更新イベントが発生します。汎用タイマでは更新イベントを繰り返します。高機能タイマでは更新イベントの発生タイミングや繰り返しカウンタの回数などを設定できますがここでは言及しません。

①は前章のSisTickタイマと同じような使い方です。

②はカウンタを利用してパルス出力を発生させるもので例えばモータ制御の速度入力指令値などに利用されます。

タイマの機能を学ぶにはまず実際に使ってみることですが、ここでは基本的なものからはじめて利用方法を理解していきましょう。まず手ほどきに基本の出力比較モードをプログラムで解説していきます。

ここで出力比較モードとはカウント数を0と自動リロードレジスタ（ARR:　Auto Reload Register）間に設定したキャプチャコンペアレジスタ（CCR: Capture Compare Register）と比較するモードです。カウント数がCCRと一致したときに出力が変化します。

実際のプログラムでの設定を解説していきます。

GPIOポートAはAPB2に接続、TIM5はAPB1に接続しているのでそれぞれのペリフェラルにクロックを供給します。高機能タイマ(TIM1とTIM8：マイコンによります)の場合はAPB2に供給します。

使用するタイマの出力ポートGPIOの設定を行います。PA3にタイマ出力のオルタネート出力を設定します。

次にタイマの初期化(TIM_TimeBaseInit関数)を行います。初期化項目は多岐にわたるので順次解説していきましょう。

タイマの初期化設定③ではタイマのプリスケールやカウンタ動作モードを指定します。初期化関数TIM_TimeBaseInit()を使用します。

関数の第1引数は設定対象タイマTIM5など指定します。第2引数は構造体メンバになっていて以下に示します。

設定例ではTIM_Prescalerを75-1に指定して36MHzのクロックを75分周してTIM5に480kHz(TIM5CLK)を供給します。

ARRはメンバTIM_Periodで設定します。
5kHzのタイマ出力が発生させるには10kHzごとに出力を反転(トグル)させればよいので48-1とします。

この例ではアップカウンタモードを設定しています。

タイマ出力の設定(TIM_OCxInit関数)を行います。この例ではCH4だけ有効にしています。
出力比較モードの詳細設定④ではタイマの出力仕様パラメータを指定します。

TIM_OCxInit関数の第2引数はTIM_OCInitTypeDef型構造体のメンバとなっていて、下表にまとめますが、その中でTIM_OutputNState、TIM_OCNPolarityおよびTIM_OCNIdleStateは高機能タイマでのみ必要なものなので汎用タイマでは省略します。

すべての設定終了後、タイマのカウントを開始(TIM_Cmd関数)します。
この時点から出力が発生します。

ここまででタイマの設定ができましたのでTIM_Cmd関数を実行してタイマを有効化してカウントを始めます。

TIM_ Cmd関数の第2引数にENBLEを指定するとカウントを開始し、DISABLEで停止します。

この時点でTIM5のCH4につながっているPA3に5kHzのプッシュプル出力が開始します。

このプログラム例では出力はCH4の1つのみですが、ほかのチャネルCH1-CH3を同時に使い、それぞれのチャネルに別々のCCR（キャプチャコンペアレジスタ値）を指定すると、同じパルスで位相をずらしたものが出力できます。

任意のタイミングでCH4の位相をずらしたい場合は
TIM_SetCompare4関数でCH4の位相を変更できます。

関数の第1引数は設定対象タイマTIM5など指定します。第2引数は出力比較モード設定内メンバのTIM_Pulseに相当するCRRの値を指定します。

TIM5の周波数を変更したい場合はTIM_SetAutoreload関数で周波数を変更できます。

関数の第1引数は設定対象タイマTIM5など指定します。第2引数はタイマ初期化関数内メンバのTIM_ Periodに相当するARRの値を指定します。図ではアップカウンタでの例ですがカウント途中でARRを変更することになるのでダウンカウンタを使用するほうがよいです。

汎用タイマの場合はこれで設定は完了なのですが、高機能タイマの出力を有効化するにはさらにTIM_CtrlPWMOutputs（TIMx, ENABLE）を追加しておいてください。

これまでのタイマの使い方としては、自動リロードレジスタ（ARR）の値を変更してカウントサイクル（周波数）を変え、キャプチャコンペアレジスタ(CCR)の値を変更することで、出力タイミング（位相）を変えることができました。

タイマの使い方としてはこの他にも、PWM出力や、外部からの高速クロック信号をカウントすることもできますので、一部紹介したいと思います。

アップカウント時、PWMモード1ではカウント数がCCRより小さいときにHigh,そうでないときにLowとしています。PWMモード2はその反転出力です。

ダウンカウント時、PWMモード1ではカウント数がCCRより大きいときにLow,そうでないときにHighとしています。PWMモード2はその反転出力です。

PWM出力の特徴は出力周期（サイクルカウント）は一定でCCRを変更することでON/OFFの比率（デューティ比）を変えることができることです。

設定は出力比較モードとほぼ同じで、TIM_OCxInit関数の第2引数のメンバのうちTIM_OCModeをTIM_ OCMode_PWM1かTIM_ OCMode_PWM2に指定するだけです。出力は出力比較モードのTIM_OCModeにTIM_OCMode_Toggleを指定したときの2倍の周波数になることに注意してください。

タイマの応用として外部の高速クロックをカウントすることができるので紹介しましょう。

STM32のタイマには外部パルスを計測する機能があります。ロボット等のアクチュエータには位置、速度を検知するセンサとしてエンコーダがよく使われるのですが、外部パルスをカウントするには外部クロックモードとしてタイマを使用します。外部クロックモードを使用するには、タイマ初期化(TimeBaseInit関数実行)直後にTIM_TIxExternalClockConfig()関数を実行して設定します。

関数の第1引数は設定対象タイマTIM3など指定します。

第2引数は入力クロックパルス対象を指定します。
■　CH1のピン入力であるTI1のエッジを読み取るTIM_TIxExternalCLK1Source_TI1
■　CH2のピン入力であるTI2のエッジを読み取るTIM_TIxExternalCLK1Source_TI2
■　TI1とTI2のエッジ両方を読み取るTIM_TIxExternalCLK1Source_TI1ED

第3引数はTI1/TI2が検出するエッジを以下から指定
■　立ち上がりエッジ検出のTIM_ICPolarity_Rising（極性はそのまま）
■　立ち下がりエッジ検出のTIM_ICPolarity_Falling（極性は反転）

第4引数は以下に示したフィルタの種類を指定します。高速なエンコーダパルスを読み取る際のチャタリングなどのノイズを防止するためです。特別に高速なパルスを読み取るのでない場合はサンプリングの一番大きな"f"を指定しておいてよいのではないでしょうか。実際に動作させてみて調整するのがいいかと思います。

TIM3のCH1(PA6)を使用する例ではGPIOポートAはAPB2に接続、TIM3はAPB1に接続しているのでそれぞれのペリフェラルにクロックを供給します。

外部入力の仕様に合わせて設定。ここでは無電圧接点入力のパルスを使用するためプルアップ入力としています。

外部クロックのカウントではTIM3の初期化は省略できそうな気もしますが実行しておきましょう。

TIM3を外部クロックモードで使用するためにTIM_TIxExternalClockConfig関数を実行します。
フィルターはサンプリング回数が大きなものほど鈍くなりノイズに強いので 問題なければ"f"でいいと思います。

入力パルスはアプリケーションプログラムの任意のタイミングで取得します。

STM32タイマには外部信号として入力されたインクリメンタルエンコーダなどの高速パルスをタイマ機能だけでカウントすることができます。この場合はエンコーダインターフェースモードとしてタイマを使用します。エンコーダインターフェースモードを使用するには、タイマ初期化(TimeBaseInit関数実行)直後にTIM_EncoderInterfaceConfig関数を実行して設定します。

関数の第1引数は設定対象タイマTIM4など指定します。

第2引数は
■　CH1のピン入力であるTI1のエッジを読み取るTIM_EncoderMode_TI1
■　CH2のピン入力であるTI2のエッジを読み取るTIM_EncoderMode_TI2
■　TI1とTI2の両方のエッジを読み取るTIM_EncoderMode_TI12

第3引数はTI1がエッジを検出したときのエッジ極性を以下から選択指定
■　エッジ検出のTIM_ICPolarity_Rising（極性そのまま）
■　エッジ検出のTIM_ICPolarity_Falling（極性反転）

第4引数はTI2がエッジを検出したときのエッジ極性を TI1と同様に選択指定

GPIOポートDはAPB2に接続、TIM4はAPB1に接続しているのでそれぞれのペリフェラルにクロックを供給します。

必要に応じて、GPIO初期化後リマップを実行します。

外部クロックのカウントではTIM4の初期化は省略できそうな気もしますが実行しておきましょう。

TIM4をエンコーダインターフェースモードで使用するためにTIM_EncoderInterfaceConfig関数を実行します。

TI1とTI2の両方のエッジを検出するモードではカウント数が２倍になるためパルス分解能は４倍になります。いずれのモードでもTI1とTI2の位相によりアップカウント、ダウンカウントが切り替わります。

最後にTIM_Cmd関数を実行し、カウントを開始します。

TIM4のカウンタ値はプログラム内で任意のタイミングで取得します。