定时器之输出捕获
简介
因为输入捕获和输出比较的CH1的输出和输入引脚是共用的，所以同一个CH通道只能使用输入捕获和输出比较的其中一个
频率测量
对比测频法和测周法
测频法：（适合测量高频信号）由图可知，每接收一个上升沿计一次，所以会测到多个周期，所以在闸门时间内，最好要多出现一些上升沿，计次数量N多一些，可以减小误差。
（特性：测量结果更新慢一些，数值相对稳定；自带均值滤波，在闸门时间内波形频率有变化，得到的是这段时间内的平均频率，值比较平滑）
测周法：（适合测量低频信号）低频信号，周期比较长，测周法计次就会比较多，有助于减小误差
（特性：结果更新块以下，数据跳变也很快，出结果的速度取决于测量的频率）
这两种测频方法都存在这正负一误差，要想减少误差，就只能多计点数，当计次N足够大时，正负一误差的影响就会很小
当有个频率测周法和测频法计次的N相同，就说明误差相同，这就是中介频率。
对应图上：当待测信号频率小于中介频率时，测周法误差更小；当待测信号频率大于中介频率时，测频法误差更小。
详细介绍电路图
从CH1等通道输入频率信号，（异或门是给三相电路使用的，暂时不介绍）然后经过输入滤波器中，过滤毛刺信号，边沿检测器即选择上升沿触发或者是下降沿触发，这里的输入滤波器和边沿检测器有两套，如果我们从CH1中输入信号，接下来可以选择输入TI1FP1到IC1或者输出TI1FP2到IC2中，这样设计的目的主要有两个：
①可以灵活切换后续捕获电路的输入，可以通过CH1输入IC1，也可以通过CH2输入IC1；
②可以把一个引脚的输入，同时映射到两个捕获单元，这是PWMI的经典结构，可以分为第一个捕获通道，使用上升沿触发，用来捕获周期，第二个捕获通道，使用下降沿触发，用来捕获占空比，这样就可以同时捕获周期和占空比。
接下来就来到了预分频器，分频后的触发信号就可以触发捕获电路进行工作了，每来一次信号，CNT的值就会向CCR转运一次，转运的同时会产生一个事件，这个事件会在状态寄存器值标志位，可以产生中断（如果需要在捕获到信号后采取行动，就可以开启这个捕获中断）
采取上升沿触发捕获，没触发一次上升沿就会把CNT的值转运到CCR中，每传递信号两次，就会产生两个CCR的值，这两个CCR的差值就是两个相邻上升沿的时间间隔，也就是周期，取倒数就是测周法得出的频率了。
注意：每次我们捕获完一个周期后，要把CNT的值清零，这样才能捕获下次的频率长度（可以使用主从触发模式实现）
CCMR1寄存器中的ICF位可以控制滤波器的参数
工作原理：以采样频率对输入信号采样，当连续多个值都是同一电平值时，输出才为这个电平值，如果信号出现高频抖动，导致连续采样的N个值不全都一样，输出则不会变化，这样就可以达到滤波的效果，采样频率越低，采样个数N越大，滤波效果就越好；
CCER寄存器：
CC1P位：可以选择极性；
CC1E位：控制输出使能或者失能；
CCER寄存器：
CC1S位：可以对数据选择器进行选择；
ICPS位：可以配置分频器；
硬件电路自动在捕获之后完成CNT的清零工作：
TI1FP1和TI1的边沿信号都可以通向从模式控制器，这个从模式中就有电路可以自动完成CNT的清零。（完成自动化操作的利器）
主从触发模式
主模式，从模式，触发源选择的简称
主模式：可以将定时器内部的信号，映射到TRGO引脚，用于触发别的外设；
从模式：接收其他外设或者自身外设的一些信号，用于控制自身定时器的运行，也就是被别的信号控制；
触发源选择：就是选择从模式的触发信号源的；
假如我们想要CNT置零，我们触发源选择会选择TI1FP1，得到TRGI去触发执行从模式中的Reset
手册中14.4.2有详细介绍
输入捕获基本结构
注意：①CNT清零和CNT传入CCR1是有先后顺序的；
②CNT的值时有上限的，即ARR最大可设置为65535，则CNT最大也是65535，所以如果频率太低，可能会导致CNT计数溢出，不能精准计算出频率；
③从模式的触发源只有TI1FP1和TI1FP2，没有3和4，如果要使用CNT自动把CNT置零，则只能使用1和2
PWMI基本结构
CCR1就是整个周期的值，CCR2则是高电平时的值，且把CNT的值赋予CCR2不会导致CNT清零，则CCR2/CCR1即为占空比
本节内容主要对应数据手册中的14.3.5和14.3.6
代码实操
输入捕获模式测频率
这里是输入PWM信号
逻辑：初始化TIM2的通道1，产生一个PWM波形，再通过函数修改频率和占空比，在OLED模块上实时显示此时的频率。
这里我们在之前写的PWM控制LED呼吸灯的程序上做修改，因此需要多加一个修改频率的函数。
这里我们需要修改ARR、PSC或者CCR的值来实现修改频率和占空比，因为调节ARR会影响占空比，所以我们通过调节PSC的值来修改频率，通过修改CCR的值来修改占空比。
要单独修改PSC的值，需要用到
void TIM_PrescalerConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Prescaler, uint16_t TIM_PSCReloadMode);
第三个参数即是指定的定时器预分频器的重装载的模式，一个是更新事件后生效，一个是立即生效
这里我们选择更新事件后生效
void PWM_PSC(uint16_t PSC)
{
TIM_PrescalerConfig(TIM2, PSC, TIM_PSCReloadMode_Update);
}这样我们就写好了修改PSC和CCR的值的函数
接下来写配置输入捕获的函数（按照下图的顺序）
先查看有关IC的配置函数
可以看到，OC的配置是有四个函数的，而IC也有四个通道，却只有一个函数配置，这是因为可以在这个函数的结构体参数中配置选择哪个通道（可能存在交叉配置，所以合在一起会更方便）
void TIM_ICInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_ICInitTypeDef* TIM_ICInitStruct);
这个函数可以快速配置两个通道，把外设电路结构配置成PWMI模式
void TIM_PWMIConfig(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_ICInitTypeDef* TIM_ICInitStruct);
给输入捕获结构体赋一个初始化值
void TIM_ICStructInit(TIM_ICInitTypeDef* TIM_ICInitStruct);
选择输入从模式的触发源TRGI
void TIM_SelectInputTrigger(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_InputTriggerSource);
选择输出主模式的触发源TRGO
void TIM_SelectOutputTrigger(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_TRGOSource);
选择从模式
void TIM_SelectSlaveMode(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_SlaveMode);
分别配置通道1、2、3、4的分频器
void TIM_SetIC1Prescaler(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPSC);
void TIM_SetIC2Prescaler(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPSC);
void TIM_SetIC3Prescaler(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPSC);
void TIM_SetIC4Prescaler(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPSC);
分别读取四个通道的CCR
uint16_t TIM_GetCapture1(TIM_TypeDef* TIMx);
uint16_t TIM_GetCapture2(TIM_TypeDef* TIMx);
uint16_t TIM_GetCapture3(TIM_TypeDef* TIMx);
uint16_t TIM_GetCapture4(TIM_TypeDef* TIMx);
输出比较的模式下，CCR是只写的；输出捕获模式下，CCR是只读的；
写程序过程
1、打开GPIO和TIM 的时钟
我们计划用TIM3的通道1，所以GPIO需要初始化PA6，TIM需要初始化TIM3
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
//配置TIM3的CH1对应的GPIO口PA6
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);2、配置GPIO，选择为上拉输入模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
//上拉输入(看手册推荐浮空，但是影响不大)
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);3、配置时基单元，让CNT在内部时钟的驱动下自增运行
//选择时基单元的时钟，选择为内部时钟
TIM_InternalClockConfig(TIM3);
//时基单元初始化
TIM_TimeBaseInitTypeDef TimeBaseInitStructure;
//指定时钟分频(与本次操作没太大关系)
TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
//计数器模式
TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
//ARR(防止测量的频率太小，导致计数溢出)
TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65536 - 1;
//PSC(此时频率为1Hz)
TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;
//重复计数器的值(高级计数器特有的，我们没有直接赋0)
TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TimeBaseInitStructure);
TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);4、配置输入捕获单元
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
//选择通道
TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
//配置滤波器(不会改变原信号的频率)
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0x0F;
//边沿检测，极性选择
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
//触发信号分频器(不分频就是每次触发都有效，二分频则是每隔一次有效一次，以此类推)
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
//选择触发信号从哪个引脚输入(配置数据选择器——直连通道和交叉通道)
TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);5、选择从模式的触发源
//触发源选择
//配置TRGI的触发源为TI1FP1
TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_TI1FP1);6、选择触发从模式后需要执行的操作
//配置从模式为Reset
TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_Reset);7、打开定时器
//启动定时器
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);初始化函数总体
#include "stm32f10x.h" // Device header
void IC_Init(void)
{
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
//配置TIM3的CH1对应的GPIO口PA6
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
//上拉输入(看手册推荐浮空，但是影响不大)
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
//选择时基单元的时钟，选择为内部时钟
TIM_InternalClockConfig(TIM3);
//时基单元初始化
TIM_TimeBaseInitTypeDef TimeBaseInitStructure;
//指定时钟分频(与本次操作没太大关系)
TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
//计数器模式
TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
//ARR(防止测量的频率太小，导致计数溢出)
TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65536 - 1;
//PSC(此时频率为1Hz)
TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;
//重复计数器的值(高级计数器特有的，我们没有直接赋0)
TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TimeBaseInitStructure);
TIM_ClearFlag(TIM3, TIM_FLAG_Update);
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
//选择通道
TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
//配置滤波器(不会改变原信号的频率)
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0x0F;
//边沿检测，极性选择
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
//触发信号分频器(不分频就是每次触发都有效，二分频则是每隔一次有效一次，以此类推)
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
//选择触发信号从哪个引脚输入(配置数据选择器——直连通道和交叉通道)
TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);
//触发源选择
//配置TRGI的触发源为TI1FP1
TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_TI1FP1);
//配置从模式为Reset
TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_Reset);
//启动定时器
TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}
当我们需要读取最新周期的频率是，只需要读取CCR的值再除以N即可
所以需要在编写一个读取CCR的值的函数
uint32_t IC_GetFreq(void)
{
//在之前我们设置了PSC为72-1，fc=72M/(PSC+1)=1MHz
//Freq=fc/N,且N=CCR
return 1000000 / TIM_GetCapture1(TIM3);
}然后就可以在主函数中调用试试
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "PWM.h"
#include "IC.h"
int main(void)
{
OLED_Init();
PWM_Init();
IC_Init();
OLED_ShowString(1,1,"Freq:00000Hz");
//用于社会PSC和CCR的值
PWM_CCR(50);
PWM_PSC(720-1);
while(1)
{
OLED_ShowNum(1,6,IC_GetFreq(),5);
}
}
此时会发现Freq=fc/N,fc=72M/(PSC+1),N=CCR得出频率应该是为1000Hz才对，但是OLED上却显示了1001Hz，这是电路中某处发生了变化的问题，也在正负一的误差之内，可以接受。
改善
想要解决的话，可以把计算Freq值的函数改为
uint32_t IC_GetFreq(void)
{
//在之前我们设置了PSC为72-1，fc=72M/(PSC+1)=1MHz
//Freq=fc/N,且N=CCR
return 1000000 / (TIM_GetCapture1(TIM3) + 1);
}这样就好了
PWMI测量频率占空比
按照下图配置
只需升级一下代码——把选择通道的代码修改一下即可
普通办法就是复制一份配置输入捕获单元的代码，把通道选择改为CH2，极性选择改为下降沿触发，数据选择器改为交叉输入
这样是可行的，但是ST公司特地为这步骤封装了一个函数，使用这个函数可以快速配置为PWMI模式（即配置为相反的配置，原是CH1，上升沿，直连通道，函数则是CH2，下降沿，交叉通道）
//配置输入捕获单元
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
//选择通道
TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
//配置滤波器(不会改变原信号的频率)
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0x0F;
//边沿检测，极性选择
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
//触发信号分频器(不分频就是每次触发都有效，二分频则是每隔一次有效一次，以此类推)
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
//选择触发信号从哪个引脚输入(配置数据选择器——直连通道和交叉通道)
TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);
//CH2
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0x0F;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Falling;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_IndirectTI;
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);
上下两组代码等价
//配置输入捕获单元
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct;
//选择通道
TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
//配置滤波器(不会改变原信号的频率)
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0x0F;
//边沿检测，极性选择
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
//触发信号分频器(不分频就是每次触发都有效，二分频则是每隔一次有效一次，以此类推)
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
//选择触发信号从哪个引脚输入(配置数据选择器——直连通道和交叉通道)
TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);
TIM_PWMIConfig(TIM3, &TIM_ICInitStruct);注意：该函数只支持CH1和CH2的转换，其他不支持
这样就编写好了PWMI的初始化函数
接下来编写获取占空比的函数
uint32_t PWMI_GetDust(void)
{
//理论知识：高电平持续时间存在CCR2中，整个周期持续时间存在CCR1中
//占空比即CCR2/CCR1
//两个值都需要补一个数
return (TIM_GetCapture2(TIM3)+1) * 100 / (TIM_GetCapture1(TIM3)+1);
}在主函数中调用实践
#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "PWM.h"
#include "IC.h"
int main(void)
{
OLED_Init();
PWM_Init();
IC_Init();
OLED_ShowString(1,1,"Freq:00000Hz");
OLED_ShowString(2,1,"Dust:000%");
//用于社会PSC和CCR的值
PWM_CCR(50);
PWM_PSC(720-1);
while(1)
{
OLED_ShowNum(1,6,IC_GetFreq(),5);
OLED_ShowNum(2,6,PWMI_GetDust(),3);
}
}
性能分析
测频率的范围：因为计数器最多可计到65535，则能测量的最低频率为1M/65535，大约15Hz，可以通过加大预分频的值，可以测得更小的频率；
高频应该使用测频法来测量；
误差分析：出来正负一误差外，还有可能由晶振造成误差