GD32测量pwm波频率以及占空比

1、需求

最近做的一个项目，其中有一个传感器输出是pwm波形，频率代表速度，频率越高速度越快。不同的占空比代表不同的故障类型。占空比10%~90%，频率范围20hz ~1khz。

基于以上的需求，单片机要实现两个功能：
1、测量频率
2、测量占空比
这怎么玩呢？从没搞过啊。

2、需求分析

经过查找资料以及参考正点原子的教程，发现单片机的定时器的输入捕获功能能够实现该功能。

2.1分析

如上图所示，测量占空比和测量频率实际上就是测量波形的长度。
对于占空比，就是测量T2与T1时刻的差值
对于频率，就是测量T3与T1时刻的差值
仔细分析下就这么简单。那么具体怎么实现呢。

2.2 输入捕获模式

上图为输入捕获模式的示意图，具体工作如下：
1、将定时器设置为向上计数模式
2、将定时器通道x设置为上升沿捕获
3、在t1时刻通道x捕获到了上升沿，此时计数值为CCRx1，将定时器cnt清0，相当于将t1时刻置位为0时刻
4、在t1时刻要将定时器捕获模式设置为下降沿捕获
4、在t2时刻捕获到了一个下降沿，此时的定时器计数值为CCRx2，假如t1到t2时刻经过的时间比较长，那么定时器肯定会出现计数值溢出重载，假设溢出了n次。
5、假设定时器的频率为1Mhz，定时器计数值为1000，相当于计数器每增加一次，时间过去了1us。最终
t2-t1=（CCRx2+n*1000）*1 us

以上这个简单的例子可以实现测量pwm的高电平长度，要测量整个pwm波形长度，就需要在上述的t2时刻将定时器捕获模式设置为上升沿，在t3时刻捕获到上升沿，此时的计数值记为CCrx3。此时定时器溢出次数记为n1则
t3-t1=（CCRx3+n1*1000）*1us

通过以上分析便可实现测量pwm波形的占空比以及频率。可以满足上述的需求。

3.代码实现

笔者使用的gd32f3x，与f1基本差不多，只是部分库函数有区别。根据以上的分析，代码中需要有两个中断。
1、定时器溢出中断
2、定时器捕获中断

3.1定时器初始化

void timer2_config(void)
{
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);
    
   gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_6);
    /* TIMER0 configuration: generate PWM signals with different duty cycles:
       TIMER0CLK = SystemCoreClock / 108 = 1MHz */

    timer_parameter_struct timer_initpara;

    rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);
    timer_deinit(TIMER2);

    /* TIMER0 configuration */
    timer_initpara.prescaler         = 120-1;
    timer_initpara.alignedmode       = TIMER_COUNTER_EDGE;
    timer_initpara.counterdirection  = TIMER_COUNTER_UP;
    timer_initpara.period            = 65535;   //寄存器为16位
    timer_initpara.clockdivision     = TIMER_CKDIV_DIV1;
    timer_initpara.repetitioncounter = 0;
    timer_init(TIMER2,&timer_initpara);

	timer_icintpara.icpolarity = TIMER_IC_POLARITY_RISING;
	timer_icintpara.icselection = TIMER_IC_SELECTION_DIRECTTI;
	timer_icintpara.icprescaler = TIMER_IC_PSC_DIV1;
	timer_icintpara.icfilter = 0;
	timer_interrupt_flag_clear(TIMER2,TIMER_INT_FLAG_UP|TIMER_INT_FLAG_CH0);
	timer_input_capture_config(TIMER2,TIMER_CH_0,&timer_icintpara);
	timer_interrupt_enable(TIMER2,TIMER_INT_UP|TIMER_INT_CH0);
	nvic_irq_enable(TIMER2_IRQn, 13,0); //中断优先级设置为最低

    /* auto-reload preload enable */
    timer_auto_reload_shadow_enable(TIMER2);
    timer_enable(TIMER2);
	
}

gd32f3x运行的频率最大为120M，上述代码将定时器定时基准设置为1us，定时器计数值设置为最大0xffff（65535），注意timer的计数寄存器长度为16位，最大只能是65535.千万不要将其当做32位，在正点原子的例程中，是将其设置为0xffffff，但实际测试，根本不行的。这一点要注意。
相当于最大定时时长为65.5ms，如果不溢出的话最小测量的频率为15hz。

3.2定时器中断代码

uint16_t over_time = 0;  //记录定时器溢出次数
uint16_t over_timer1 = 0;   //记录t2时刻定时器溢出次数
uint16_t over_timer2 = 0;   //记录t3时刻定时器溢出次数
uint32_t capture_value1 = 0;  //记录t2时刻计数值
uint32_t capture_value2 = 0;  //记录t3时刻计数值
uint8_t capture_state1 = 0;  //状态切换

void TIMER2_IRQHandler(void)
{
	if(timer_interrupt_flag_get(TIMER2,TIMER_INT_FLAG_UP)==SET)
	{
		over_time++;
		timer_interrupt_flag_clear(TIMER2,TIMER_INT_FLAG_UP);
	}
	if(timer_interrupt_flag_get(TIMER2,TIMER_INT_CH0)==SET)
	{
		switch(capture_state1)
		{
			case 0 :  // 捕获到上升沿 清零定时器
				capture_value1 = 0;  //清0 捕获
				capture_value2 = 0;  //清0 捕获
				over_time = 0;
				over_time1 = 0;
				over_time2 = 0;
				timer_disable(TIMER2);
				timer_counter_value_config(TIMER2,0);	//清0计时器	
				timer_icintpara.icpolarity = TIMER_IC_POLARITY_FALLING;  //设置为下降沿
				timer_input_capture_config(TIMER2,TIMER_CH_0,&timer_icintpara);
				timer_enable(TIMER2);
				capture_state1 = 1;
				break;
			case 1 :  //捕获到下降沿
				over_time1  = over_time ;
				capture_value1 = timer_channel_capture_value_register_read(TIMER2,TIMER_CH_0);
				timer_icintpara.icpolarity = TIMER_IC_POLARITY_RISING;  //设置为上升沿降沿
				timer_input_capture_config(TIMER2,TIMER_CH_0,&timer_icintpara);	
				capture_state1 = 2;
				break;
				
			case 2 :  //捕获到升上沿
				over_time2  = over_time ;
				capture_value2 = timer_channel_capture_value_register_read(TIMER2,TIMER_CH_0);	
				capture_state1 = 3;
				break;			
			case 3:		//空状态		
				break;			
		}		
		timer_interrupt_flag_clear(TIMER2,TIMER_INT_CH0);
	}

}

定时器中断函数也比较好理解，设置为4个状态，
0：捕获到第一个上升沿，对应t1，将定时器清零，同时设置为下降沿捕获，状态设置为1
1：捕获到第一个下降沿，对应t2，获取捕获到下降沿时刻时定时器的计数值。然后再设置为上升沿捕获，状态设置为2
2：捕获到第二个上升沿，对应t3，获取捕获到上升沿时刻时定时器的计数值，状态设置为3
3：空状态，主要为了配合主循环中的运行函数，等下面看到主循环代码，就可以知道这个3状态的重要性。

以上就是定时器中断函数的初步分析，也比较简单。

3.3主函数代码

uint32_t duty_cycle,frquency;
	while(1)
	{

		if(capture_state1 == 3)
		{
			duty_cycle = (capture_value1+over_time1*65536)*100/(capture_value2+over_time2*65536);
			frquency = 1000000/(capture_value2+over_time2*65536);

			printf("overtime:%d time1:%d time2:%d DutyCycle:%d rate:%d \r\n",over_time1,capture_value1,capture_value2,duty_cycle,frquency);
			
			over_time = 0;
			over_time1 = 0;
			over_time2 = 0;
			capture_value1 = 0;
			capture_value2 = 0;
			capture_state1 = 0;
		
		}		
		delay(10);
	}
			

在主函数中，通过判断当前的状态来计算占空比和频率，如果去掉状态3，只用状态2判断，那么当在中断函数状态1中，将状态设置为2后，退出中断函数，此时主函数发现状态为2便进行了占空比和频率的计算，而此时的capture_value2是0。相当于在T3时刻之前，主函数得到了运行。造成计算错误的问题，这里当时排查了好久，才发现是这个问题，所以最终加上了空状态3，确保主函数运行是在T3时刻之后，所有的数值都是有效的。

4、最终运行效果

可以看到能够正常测量频率和占空比。