STM TIM(三) 输入捕获

STM TIM(三) 输入捕获

输入捕获简介

• IC（Input Capture）输入捕获

• 输入捕获模式下，当通道输入引脚出现指定电平跳变时（上升沿或下降沿），当前CNT的值将被锁存到CCR中（把当前CNT的值读出来，写入到CCR中），可用于测量PWM波形的频率、占空比、脉冲间隔、电平持续时间等参数。

  • TIMx_CH1~4边沿信号输入引脚，一旦有边沿，比如说上升沿，那输入滤波和边沿检测电路就会检测到这个上升沿，让输入捕获电路产生动作，作用与外部中断类似，都是检测电平跳变，然后执行动作，只不过外部中断执行的动作是向CPU申请中断，而这里电路执行的动作就是，控制后续电路，让当前CNT的值锁存到CCR中。

对比一下输出比较

• 输入捕获，引脚是输入端口，是接受到输入信号，执行CNT锁存到CCR的动作。
• 输出比较，引脚是输出端口，是根据CNT和CCR的大小关系来执行输出动作。

• 每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输入捕获通道

• 可配置为PWMI模式，同时测量频率和占空比

  • PWM的输入模式，专门为测量PWM频率和占空比而设计的

• 可配合主从触发模式，实现硬件全自动测量

• 将PWMI模式和主从触发模式结合起来，测量频率和占空比就是全自动进行。软件不需要进行任何干预，也不需要进中断，需要测量的时候，直接读取CCR寄存器就行了，使用非常方便，而且极大地减轻了软件的压力。

频率测量

对于STM32而言，只能测量数字信号

频率的定义，1S内出现了多少个重复的周期，频率就是多少Hz

• 测频法，比如我们要测量信号的频率，就可以自定一个闸门时间T，通常设置为1S，在1S时间内，对信号上升沿进行计次，从0开始计，每来一个上升沿，计次+1，每来一个上升沿，其实就是来了一个周期的信号，所以在1S时间内，来了多少个周期，频率就是多少Hz。
  • 所以我们在1S的闸门时间内，对上升沿计次，计次多少，频率就是多少Hz。这种直接按频率定义来进行测量的方法，就叫测频法。
  • 闸门时间也不是必须为1S，也可以2S的闸门时间，那计次值除2，就是频率，也可以0.5S的闸门时间，计次乘2，也是频率。
• 测周法的基本原理就是，周期的倒数就是频率，我们如果能测出一个周期的时间，再取个倒数，就可以得到频率。捕获信号的两个上升沿，然后测量一下者之间持续的时间即可。
  • 但实际上，并没有一个精度无穷大的秒表来测量时间，测量时间的方法，实际上也是定时器计次，我们使用一个已知的标准频率f_c的计次时钟，来驱动计数器，从一个上升沿开始计，计数器从0开始，一直计到下一个上升沿，停止，计一个数的时间是1/f_c，计N个数，时间就是N/f_c，N/f_c就是周期，再取个倒数，就得到了公式，fx=f_c/N，这就是测周法。
• 中界频率，当有一个频率，测频法和测周法计次的N相同，就说明误差相同。
  • 测频法计次和测周法计次，计次数量N，尽量要大一些，N越大，相对误差越小，因为在这些方法中，计次可能会存在±1误差。
    • 比如测频法，在闸门时间内，并不是每个周期信号都是完整的，比如在最后时间里，可能一个周期刚出现一半，闸门时间就到了，那这只有半个周期，只能舍弃掉或者当作一整个周期来看，因为计次只有整数，不能计0.5个数。在这个过程就会出现多计一个，或者少计一个的情况，这就叫做正负1误差。
    • 另外在测周法中，标准时刻f_c计次，在最后时刻，有可能，一个数刚数到一半，计时就结束了，那这半个数也只能舍弃或者按一整个数来算，这里也会出现±1误差。正负1误差是这两种方法都固有的误差，要想减小正负1误差的影响，就要尽量多计一些数，当计次N比较大时，正负1对N的影响就会很小。
  • 当待测信号频率小于中界频率时，测周法误差更小，选用测周法更合适；当待测信号频率大于中界频率时，测频法误差更小，选用测频法更合适。

测频法和测周法比较

• 测频法和测周法比较
  • 测频法适合测量高频信号，测频法，在闸门时间内，最好要多出现一些上升沿，计次数量多一些，这样有助于减小误差。
    • 假如定了1S的闸门时间，结果信号频率非常低，1S的闸门时间甚至1个上升沿都没有，频率总不能是0吧。测频法在计次N很小时，误差会非常大。因此，测频法要求，信号频率要稍微高一些。
  • 测周法适合测量低频信号
    • 低频信号，周期比较长，计次就会比较多，有助于减小误差，否则，比如标准频率f_c为1MHz，待测信号频率太高，比如待测信号500KHz,那在一个周期内只能计一两个数，如果待测信号再高一些，甚至一个数也计不到，总不能认定频率无穷大吧。因此，测周法需要待测频率低一些。
  • 测频法测量结果更新的慢一些，数值相对稳定
    • 测频法测量的是在闸门时间内的多个周期，所以自带一个均值滤波，如果在闸门时间内波形频率有变化，那得到的其实是这一段时间的平均频率。如果闸门时间选为1S，那么每隔1S才能得到一次结果。因此，测频法结果个更新慢，测量结果是一段时间的平均值，值比较平滑。
  • 测周法更新的快，数据跳变也非常快
    • 测周法，只测量一个周期，就能出一次结果，所以出结果的速度取决于待测信号的频率，一般而言，待测信号都是几百几千Hz，所以一般情况下，测周法结果更新更快，但是只测量一个周期，所以结果值会受噪声的影响，波动比较大。

内部电路

• 四个通道的引脚TIMx_CH1~4,参考引脚定义表，就能直到这个引脚复用在了哪个位置。
• 引脚进来，有一个三输入的异或门，这个异或门的输入接在了通道1，2，3端口，异或门的执行逻辑是，当三个输入引脚的任何一个有电平翻转时，输出引脚就产生一次电平翻转。
• 之后输出通过数据选择器，到达输入捕获通道1，数据选择器如果选择上面一个，那输入捕获通道1的输入，就是3个引脚的异或值，如果选择下面一个，那异或门就没有用，4个通道各用各的引脚。
  • 设计这个异或门，其实还是为三相无刷电机服务的，无刷电机有三个霍尔传感器检测转子的位置，可以根据转子的位置进行换相。
  • 有了这个异或门就可以在前三个通道接上无刷电机的霍尔传感器，然后这个定时器就作为无刷电机的接口定时器，去驱动换相电路工作。
• 输入信号过来，来到了输入滤波器和边沿检测器
  • 输入滤波器可以对信号进行滤波，避免一些高频的毛刺信号误触发
  • 边沿检测器，可以选择高电平触发或者低电平触发，当出现指定的电平时，边沿检测电路就会触发后续电路执行动作。
  • 这里其实是设计了两套滤波和边沿检测电路，第一套电路经过滤波和极性选择，得到TI1FP1（TI1 Filter Polarity 1），输入给通道1的后续电路，第二套电路经过另一个滤波和极性选择，得到TI1FP2（TI1 Filter Polarity 2），输入给下面通道2的后续电路。同理下面TI2信号进来，也经过两套滤波和极性选择，得到TI2FP1和TI1FP2,其中TI2FP1输入给上面，TI2FP2输入给下面。
    • 在这里，两个信号进来，可以选择各走各的，也可以选择进行一个交叉（下面通道3和通道4也是同样的结构），让CH2引脚输入给通道1或者CH1引脚输入给通道2。这里进行交叉连接，目的主要有二
      • 可以灵活切换后续捕获电路的输入，比如一会想以CH1作为输入，一会想以CH2作为输入，这样就可以通过这个数据选择器，灵活地进行选择。
      • 可以把一个引脚的输入，同时映射到两个捕获单元，这也是PWMI的经典结构。第一个捕获通道，使用上升沿触发，用来捕获周期；第二个通道，使用下降沿触发，用来捕获占空比。两个通道同时对一个引脚进行捕获，就可以同时测量频率和占空比。
  • TRC信号，也可以选择作为捕获部分的输入，用于无刷电机的驱动
• 输入信号进行滤波和极性选择后，就来到了预分频器，每个通道各有一个，可以选择对前面的信号进行分频。
• 分频之后的触发信号，就可以触发捕获电路进行工作了，每来一个触发信号，CNT的值就会向CCR转运一次，转运的同时，会发生一个捕获事件，这个事件会在状态寄存器只标志位，同时也可以产生中断，如果需要在捕获的瞬间，处理一些事情的话，就可以开启这个捕获中断。

• 比如我们可以配置上升沿触发捕获，每来一个上升沿，CNT转运到CCR一次，又因为这个CNT计数器是由内部的标准时钟驱动的，所以CNT的数值，其实就可用来记录两个上升沿之间的时间间隔，这个时间间隔就是周期，再取个倒数，就是测周法测量的频率了。

• 上升沿用于触发输入捕获，CNT用于计数计时，每来一个上升沿，取一下CNT的值，自动存在CCR里，CCR捕获到的值，就是计数值N，CNT的驱动时钟就是f_c， f_c/N，就得到了待测信号的频率。

• 每次捕获之后，都要把CNT清0一下，这样下次上升沿再捕获的时候，取出的CNT才是两个上升沿的时间间隔。这个在一次捕获后自动将CNT清零的步骤，我们可以用主从触发模式，自动来完成。

输入捕获通道

• 滤波器的输入是TI1，就是CH1的引脚，输出的TI1F，就是滤波后的信号，f_DTS是滤波器的采样时钟来源，CCR寄存器里的ICF位可以控制滤波器的参数。
  • 数字滤波器由一个事件计数器组成，它记录到N个事件后会产生一个输出的跳变。简单理解，滤波器的工作原理就是，以采样频率对输入信号进行采样，当连续N个值都为高电平，输出才为高电平，连续N个值都为低电平，输出才为低电平，如果信号出现高频抖动，导致连续采样N个值不全都一样，那输出就不会变化，就可以达到滤波的效果。采样频率越低，采样个数N越大，滤波效果越好。 在实际应用中，如果波形噪声比较大，就可以把这个参数设置大一些，这样就可以过滤噪声了。
• 滤波之后的信号TI1F通过边沿检测器，捕获上升沿或者下降沿，配置CCER寄存器里的CC1P位，就可以选择极性了，最终得到TI1FP1触发信号，通过数据选择器，进入通道1后续的捕获电路。
• CCMR1寄存器的CC1S位可以对数据选择器进行选择，ICPS位可以配置分频器（不分频、2分频、4分频、8分频）
• CCER寄存器的CC1E位，可以控制输出使能或失能。如果使能了输出，输入端产生指定边沿信号，经过层层电路，就可以将CNT的值，转运到CCR里面来。
  • 每捕获一次CNT的值，都要把CNT清零一下，以便于下一次的捕获，这里硬件电路，就可以在捕获之后自动完成CNT的清零工作。
    • TI1FP1信号和TI1F_ED(TI1的边沿信号)都可以通向从模式控制器，比如TI1FP1信号的上升沿触发捕获，并且还可以同时触发从模式，这个从模式中就有电路可以自动完成CNT的清零。

主从触发模式

• 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，所以这部分叫做主模式。
  • 实现定时器的级联，可以选择一个定时器的主模式输出更新信号到TRGO，另一个定时器选择上一个定时器触发从模式，从模式选择外部时钟模式1的操作，这样就能实现定时器的级联。
  • 复位、使能、更新、比较脉冲、比较
• 从模式就是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，所以这部分叫从模式。
• 触发源选择，就是选择从模式的触发信号源，可以认为是从模式的一部分。触发源选择，选择指定的一个信号，得到TRGI，TRGI去触发从模式，从模式可以在下面这个列表里，选择一项操作来自动执行。
  • 比如想让TI1FP1信号自动触发CNT清零，那触发源选择，就可以选中这里的TI1FP1，从模式执行的操作，就可以选择执行Reset的操作，这样TI1FP1的信号就可以自动触发从模式，从模式自动清零CNT了。实现硬件全自动测量。

输入捕获基本结构

• 将时基单元配置完成，启动定时器，CNT就会在预分频之后的时钟驱动下，不断自增，这个CNT就是测周法用来计数计时的东西。经过预分频之后的时钟频率，就是驱动CNT的标准频率f_c，
• 输入捕获通道1的GPIO口，输入一个如图所示的方波信号，经过滤波器和边沿检测，选择TI1FP1为上升沿触发，之后输入选择直连的通道，分频器选择不分频，当TI1FP1出现上升沿之后，CNT的当前计数值转运到CCR1里，同时触发源选择，TI1FP1为触发信号，从模式选择复位操作，这样TI1FP1的上升沿，也会通过上面这一路，去触发CNT清零。
  • 先转运CNT的值到CCR里，再触发从模式给CNT清零，或者是非阻塞的同时转移，CNT的值转移到CCR，同时0转移到CNT里面里，总之肯定不会是先清零再捕获，要不然捕获值肯定都是0了。
• 左上角的图，信号出现一个上升沿，CCR1=CNT，就是把CNT的值转运到CCR1里面去，这是输入捕获自动执行的，然后CNT=0，清零计数器，这是从模式自动执行的，然后在一个周期之内，CNT在标准时钟的驱动下，不断自增，并且由于之前清零过了，所以CNT就是从上升沿开始，从0开始计数，一直++，直到下一次上升沿来临，然后执行相同的操作，CCR1=CNT，CNT=0，第二次捕获的时候，计数值就自动放在CCR1里面，然后下一个周期，继续同样的过程，CNT从0开始自增，直到下一个上升沿，这时CCR1刷新为第二个周期的计数值，然后不断重复这个过程，所以在这个电路工作时，CCR1始终保持为最新一个周期的计数值，这个计数值就是测周法中的计次N，然后f_c/N,就是信号的频率。
  • 所以当我们想要读取信号的频率时，只需要读取CCR1得到N，再计算f_c/N，就可以得到频率。当我们不需要读取的时候，整个电路全自动的测量，不需要占用任何软件资源。

注意事项

• 首先CNT的值是有上限的，ARR一般设置为最大65536，CNT最大也只能计65536个数，如果信号频率太低，CNT计数值可能会溢出。
• 从模式的触发源选择，只有TI1FP1和TI2FP2，没有TI3和TI4的信号，如果这里想使用从模式自动清零CNT，就只能用通道1和通道2，对于通道3和通道4，就只能开启捕获中断，在中断里手动清零了，不过这样，程序就会处于频繁中断的状态，比较消耗软件资源。

PWMI基本结构

• PWMI模式使用了两个通道同时捕获一个引脚，可以同时测量周期和占空比。
• 首先，TI1FP1配置上升沿触发，触发捕获和清零CNT，正常地捕获周期，这时再来一个TI1FP2，配置为下降沿触发，通过交叉通道，去触发通道2的捕获单元。
• 看一下左上角的图，最开始上升沿，CCR1捕获，同时清零CNT，之后CNT一直++，然后在下降沿这个时刻，触发CCR2捕获，所以这时CCR2的值，就是高电平期间的计数值，CCR2捕获，并不触发CNT清零，所以CNT继续++，直到下一次上升沿，CCR1捕获周期，CNT清零，这样执行之后，CCR1就是一整个周期的计数值，CCR2就是高电平期间的计数值，用CCR2/CCR1,就可以得到占空比，这就是PWMI模式，使用两个通道来捕获频率和占空比的思路。
• 另外这里可以两个通道同时捕获第一个引脚的输入，这样通道2的前面这一部分就没有用到，当然也可以配置两个通道同时捕获第二个引脚的输入，这样我们就是使用TI2FP1和TI2FP2两个引脚了。这两个输入可以灵活切换。