11、江科大stm32视频学习笔记——输入捕获模式测频率、PWMI模式测频率占空比

TIM输入捕获模式：
1、输入捕获模式测频率占空比

信号源：产生一个频率和占空比可调的波形

无信号发生器的情况：先用PWM模块，在PA0端口输出一个频率和占空比可调的波形，把PA0和PA6连在一起，PA6为输入波形，这样就是测量自己PWM模块产生波形的频率

在显示屏上显示PA6的频率

2、PWMI模式测频率吧占空比

1、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，当前CNT的值将被锁存到CCR中（即把当前CNT的值读出来，写入到CCR中）

2、通用定时器结构

（1）输出比较的执行逻辑

根据CNT和CCR的关系，从通道引脚输出高低电平

（2）四个输入捕获和输出比较通道

共用4个CCR寄存器，其CH1到CH4也是共用的，故对于同一个定时器，输入捕获和输出比较，只能使用一个，不能同时使用

（3）输入捕获的执行流程和输出比较的区别

输出比较：引脚是输出端口，根据CNT和CCR的大小关系来执行输出动作

输入捕获：引脚是输入端口，接收到输入信号，执行CNT锁存到CCR的动作

（4）输入捕获的作用

测量PWM波形的频率、占空比、脉冲间隔（和频率差不多意思）、电平持续时间（和占空比差不多意思）等参数

（5）输入捕获通道

每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输入捕获通道，且高级和通用定时器都没有什么区别，基本定时器没有输入捕获的功能

（6）PWMI模式：同时测量频率和占空比

PWMI模式是PWM的输入模式，专门为测量PWM频率和占空比设计的。

（7）主从触发模式：实现硬件全自动测量

注意：（6）、（7）结合起来，测量频率占空比就是硬件全自动执行，软件不需要进行任何干预，也不需要进中断，需要测量时直接读取CCR寄存器的值即可，方便＋减轻软件的压力

3、测频法和测周法测量频率

（1）测频法和测周法的原理

测频率法：定义一个T，如1s，在1s的时间内，有多少个周期，就是多少HZ

测周法：周期的倒数就是频率，测出一个周期的时间，再取倒数，就是频率（测量时间的方法：定时器计次，使用一个已知频率fc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/fc,计N个数，时间就是N/fc，N/fc就是周期，再取一个倒数，就得到公式fx=fc/N）

中界频率：测频率法的N=测周法的N，两者误差相等。

（2）测频法和测周法的选择

此时，当待测信号小于中界频率时，用测周法，当大于中界频率时，用测频法

（3）测频法和测周法的比较

测频法适合高频信号（因为若N很小，误差会很大），若闸门时间选为1s，那么每隔1s才能出结果，结果比较慢

测周法适合测量低频信号（周期比较长，计次就会比较多，有助于减少误差），测一个周期就能出现结果，而一般待测信号频率都比较大，故结果更新较快

（4）测频法和测周法的实现

a、测频法的思路：之前的对射式红外传感器计次计次，每来一个上升沿计次1，再用有一个定时器，每隔1s中断，再中断中，每隔1s取一次计次值，同时清0计次，为下一次做准备，这样每次读取的计次值就是频率

定时器外部时钟也同理，每隔1s取一次计次，就能实现

b、测周法:测量两个上升沿的时间（见本次代码）

4、主从触发模式

主从触发模式就是主模式、从模式、触发源选择三个的简称

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：接受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：选择从模式的触发信号源,可以认为是从模式的一部分，选择指定的一个信号，得到TRGI，TRGI可以取触发从模式，从模式可以在上述右图列表中，选择一项操作来自动执行

若想让TI1FP1信号自动触发CNT清零，触发源一个选择TI1FP1，从模式选择执行Reset的操作，这样TI1FP1信号就可以自动触发从模式，从模式自动清零CNT，实现硬件全自动测量

5、结构

（1）捕获输出基本结构

只使用一个通道

时基单元：CNT（测周法用来计数计时）会在预分频之后的时钟驱动下，不断自增。经过预分频后时钟频率会驱动CNT的标准频率fc，标准频率=72M/预分频系数

输入捕获通道1的GPIO口输入方波信号，经过滤波器和边沿检测，选择TI1FP1为上升沿触发，选择直连的通道，分频器选择不分频，当TI1FP1出现上升沿后，，CNT的当前计数值转运到CCR1中，同时触发源选择，选中TI1FP1为触发信号，从模式选择复位操作，这样TI1FP1的上升沿，也会通过触发源选择——从模式RESRT这条路去触发CNT清零

顺序：先转运CNT的值到CCR中，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中去（先捕获，在清零）

CCR1值为N，fc/N就可以得到频率

频率过低，CNT（最大65535）可能会溢出

（2）PWMI基本结构

占空比：CCR2/CCR1

二、输入捕获模式测频率

1、原理图

2、改变PWM频率

• PWM 频率： Freq = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)

• PWM 占空比： Duty = CCR / (ARR + 1)

• PWM 分辨率： Reso = 1 / (ARR + 1)

CK_PSC为72M，PSC为预分频器，ARR为自动重装器，CCR为捕获/比较器

改变PSC和ARR都可以调节频率，但改变ARR调节频率会影响到占空比，所以选择PSC调节频率

    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 - 1;       //ARR
   TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720 - 1;       //PSC
   TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;       //CCR

这代码中，因为ARR=100,所以CCR的值为占空比（该电平在周期的比例）

3、单独修改PSC的函数

void PWM_SetPrescaler(uint16_t Prescaler)
{
	//第三个参数指定定时器预分屏器的重装模式
	//第一个 TIM_PSCReloadMode_Update,预分频器在更新事件重装//等待周期结束
	// 第二个TIM_PSCReloadMode_Immediate预分频器立即重装//可能一个周期没结束就切换
	TIM_PrescalerConfig(TIM2, Prescaler, TIM_PSCReloadMode_Immediate);
}

4、设置1000HZ，占空比为50%

	PWM_SetPrescaler(720 - 1);		//Freq = 72M / (PSC + 1) / 100  //1000hz
	PWM_SetCompare1(50);			//Duty = CCR / 100        //占空比为50%

5、工作步骤

第一步：RCC开启时钟,打开GPIO和TMI的时钟

第二步：GPIO初始化,配置成输入模式，一般选择上拉输入或者浮空输入模式

第三步：配置时基单元，让CNT计数器在内部时钟的驱动下自增运行

第四步：配置输入捕获单元，包括滤波器、级联、直联通道还是交叉通道、分频器等参数，用结构体统一进行配置

第五步：选择重模式的触发源，触发源选择为TI1FP1(此处调用一个库函数，给个参数即可)

第六步：选择触发之后执行的操作：执行RESET操作（调用库函数）

最后，调用TIM_CMD函数开启定时器

想要获取一个周期的频率时，直接读取CCR计算器，然后按照fc除N计算即可（fc，标准频率=72M/预分频系数）

6、CCR

输入捕获模式下：CCR是只读的，要用GetCapture读出

输出比较模式下：CCR是只写的，要用SetCompare1

7、代码

(1)IC.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void IC_Init(void)
{
	//TIM3
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//上拉模式
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;//PA6
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	
	TIM_InternalClockConfig(TIM3);//TIM3
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//向上计数
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65536 - 1;		//ARR最好大一些，防止溢出
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;		//PSC这个值决定了测周法的标准频率fc=1M
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
	
	TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);//TIM3
	
	//第四步：配置输入捕获单元
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
	TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;//选择通道1
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;//数越大，滤波效果越好，滤波器计次不会改变信号原有的频率，一般滤波器的采样频率会远高于信号频率
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;//上升沿触发
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;//分频器对信号本身进行计次，会改变频率。此处不分频
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;//直连通道
	TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
	
	//第五步：选择重模式的触发源
	TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_TI1FP1);
	//选择触发之后执行的操作
	TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_Reset);
	
	//使能
	TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

uint32_t IC_GetFreq(void)
{
	//fc除N（fc，标准频率=72M/预分频系数）
	return 1000000 / (TIM_GetCapture1(TIM3) + 1);
}

(2)mian.c

#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");
	
	PWM_SetPrescaler(720 - 1);		//Freq = 72M / (PSC + 1) / 100  //1000hz
	PWM_SetCompare1(50);			//Duty = CCR / 100        //占空比为50%
	
	while (1)
	{
		OLED_ShowNum(1, 6, IC_GetFreq(), 5);
	}
}

三、PWMI模式频率占空比
1、IC.c中不一样的地方

//该函数会自动把剩下的一个通道初始化成相反的配置，第一个是通道1，直连、上升沿
//第二个是通道2，交叉、下降沿
TIM_PWMIConfig(TIM3, &TIM_ICInitStructure);

uint32_t IC_GetDuty(void)
{
	return (TIM_GetCapture2(TIM3) + 1) * 100 / (TIM_GetCapture1(TIM3) + 1);
}

2、IC.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

void IC_Init(void)
{
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	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);
	
	TIM_InternalClockConfig(TIM3);
	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65536 - 1;		//ARR
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;		//PSC
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
	TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
	TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
	//该函数会自动把剩下的一个通道初始化成相反的配置，第一个是通道1，直连、上升沿
	//第二个是通道2，交叉、下降沿
	TIM_PWMIConfig(TIM3, &TIM_ICInitStructure);

	TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_TI1FP1);
	TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_Reset);
	
	TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

uint32_t IC_GetFreq(void)
{
	return 1000000 / (TIM_GetCapture1(TIM3) + 1);
}

uint32_t IC_GetDuty(void)
{
	return (TIM_GetCapture2(TIM3) + 1) * 100 / (TIM_GetCapture1(TIM3) + 1);
}

3、main.c

#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, "Duty:00%");
	
	PWM_SetPrescaler(720 - 1);			//Freq = 72M / (PSC + 1) / 100
	PWM_SetCompare1(50);				//Duty = CCR / 100
	
	while (1)
	{
		OLED_ShowNum(1, 6, IC_GetFreq(), 5);
		OLED_ShowNum(2, 6, IC_GetDuty(), 2);
	}
}

四、知识点

测频率的性能

测频率的范围：目前给标准频率1MHZ时，计数器最大只能到65535，所以测量的最低频率是1M/65535，大概是15HZ，若频率再低，则溢出，此时可以增大预分屏，就可以使得标准频率更低

测量的最高频率没有上限，但是频率越大，误差越大。如果非要找一个频率上限，就是1MHZ，因为超过标准频率，时误差非常大

如果要求误差等于1/1,000时，频率为上限，则这个上限就是1兆除1,000=1,000HZ

如果要求误差可以到1%,那频率上限就是1MHZ除100=10KHZ

如果想提高频率的上限，就要把PSC给降低一些，提高标准频率，上限制就会提高

若要更高的频率，则用测频法