STM32 定时器“输入捕获”和“输出比较”（HAL 库 + 实例讲解）

原创于 2025-11-24 22:15:44 发布 · 440 阅读

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机 #c语言 #mcu

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在 STM32 里，定时器（TIM）绝对是使用频率最高的外设之一。除了最常见的定时中断和 PWM 输出，定时器还有两个非常重要但经常被混淆的功能：

输入捕获（Input Capture）
输出比较（Output Compare）

这两个功能学会之后，可以轻松搞定：

测信号频率、周期、占空比
测脉冲宽度（高电平时间 / 低电平时间）
精确输出“点一下翻转一次”的方波、脉冲序列
做红外解码、超声波测距、编码器测速等

本文就从原理 → 配置思路 → HAL 代码示例 → 常见坑，系统讲清楚这两个功能，适合已经会基本 HAL 开发的同学入门和回顾。

一、先回顾一下：定时器本质在干什么？

不管是输入捕获还是输出比较，核心都是在用 CNT（计数器）这根“时间尺”来做事情。

定时器的几个关键寄存器：

PSC（预分频器）：
把定时器时钟 f_tim 除一下，让计数速度变慢。
ARR（自动重装值）：
计数器 CNT 从 0 往上数，数到 ARR 就清零重新来。
CNT（计数器）：
真正在往上数的那个值，相当于是“当前时间”。
CCR1 / CCR2 / CCR3 / CCR4（捕获/比较寄存器）：
不同通道用到的“参考值”或“捕获值”。

可以把 CNT 想象成一把不断增长的时间尺。

输入捕获：把某个时刻的 CNT 拍张“照片”存到 CCR 里。

输出比较：当 CNT 数到某个值（CCR）时，触发事件 / 改变输出电平。

二、输入捕获（Input Capture）：把外部信号的“到达时间”记录下来

2.1 输入捕获在干什么？

一句话：

当某个引脚出现上升沿/下降沿时，把当前的 CNT 值“捕获”到 CCR 里。

有了这个 CNT 值，我们就可以算：

两次捕获之间的时间差 → 周期 / 频率
两次上升沿 / 下降沿之间的差值 → 脉冲宽度、高电平时间、低电平时间

常见应用：

测 PWM 信号频率和占空比
测外部脉冲周期（转速、频率计）
红外、超声波测距时间差

2.2 配置输入捕获的大致步骤（HAL 思路）

以 TIM2_CH1 测 extern 信号周期为例：

定时器时钟 & CNT 配置
- 选择一个合适的 PSC，让 CNT 的单位时间方便换算（比如 1µs / 0.1µs）
- ARR 可以设大一点，尽量避免溢出
通道配置成输入捕获模式
- IC Polarity：上升沿 / 下降沿 / 双边沿
- IC Selection：通常选择 DIRECTTI（直接映射 TIx）
- IC Prescaler：一般不用分频，设置为 DIV1
- IC Filter：有抖动时可以开一点数字滤波
启动输入捕获（中断模式）
- HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
- 在中断回调里读取 __HAL_TIM_GET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1) 或 HAL_TIM_ReadCapturedValue()

2.3 输入捕获 HAL 代码示例：测一个方波信号的频率

假设：

使用 TIM2_CH1（PA0）接外部方波信号
已在 CubeMX 配好：TIM2 时钟、通道为输入捕获、NVIC 使能中断等

1）全局变量：

volatile uint32_t ic_val1 = 0;
volatile uint32_t ic_val2 = 0;
volatile uint8_t  is_first_captured = 0;
volatile float    signal_freq = 0;  // 测得的频率

2）启动捕获（比如在 main.c 的 main() 或 MX_TIM2_Init() 后）：

HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

3）中断回调函数：

void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM2 && htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
    {
        if (is_first_captured == 0)
        {
            // 第一次捕获
            ic_val1 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
            is_first_captured = 1;
        }
        else
        {
            // 第二次捕获
            ic_val2 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);

            uint32_t diff;
            if (ic_val2 > ic_val1)
                diff = ic_val2 - ic_val1;
            else
                // 发生了溢出
                diff = (htim->Instance->ARR - ic_val1) + ic_val2 + 1;

            // 计数频率 = 定时器时钟 / (PSC+1)
            // 假设你把 TIM2 配成：计数频率 = 1MHz，则 1 个计数 = 1us
            float period_us = diff * 1.0f;        // 周期 us
            signal_freq = 1000000.0f / period_us; // Hz

            is_first_captured = 0;
        }
    }
}

在主循环里可以把 signal_freq 显示到串口 / OLED / LCD 上。

关键点：连续捕获两次上升沿，把 CNT 差值换算成时间，再算频率。

三、输出比较（Output Compare）：CNT 数到某个值时，让引脚干点事

3.1 输出比较在干什么？

输出比较和 PWM 很像，都是让 CNT 和 CCR 比较，当 CNT 数到 CCR 的时候触发一个事件：

改变引脚电平（置位 / 复位 / 翻转）
触发一个中断 / DMA 传输

和 PWM 的区别是：PWM 一般是周期自动翻转，多用于波形输出；而输出比较更适合：

生成精确“单个/多个脉冲”
做“定时点事件”，比如：某个时刻翻转一次、某个时刻触发采样

3.2 输出比较几种模式（OC Mode）

常用几种模式（OCxM）：

Active（置位）：CNT==CCR 时，把通道输出置为高电平
Inactive（复位）：CNT==CCR 时，输出拉低
Toggle（翻转）：CNT==CCR 时电平翻转一次
PWM1 / PWM2：其实就是基于输出比较的特殊组合，这里不展开

最直观的是 Toggle 模式：

每当 CNT 数到 CCR 值，通道引脚就翻转一次。
配上合适的 PSC 和 ARR，就可以输出一个固定频率的方波。

3.3 输出比较 HAL 示例：生成一个方波（非 PWM）

比如：用 TIM3_CH1（PA6）输出一个简单方波。

1）CubeMX 中配置大致思路：

TIM3 选择时钟源
CH1 设为“输出比较”（Output Compare）
OC 模式选 Toggle
GPIO 配置为复用推挽输出（AF）

2）启动输出比较：

HAL_TIM_OC_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

这时候，当 CNT 从 0 → ARR 一直数，每次数到 CCR1 的时候，PA6 电平翻转一次。
频率计算大致如下：

CNT 计数频率：f_cnt
每次翻转间隔：CCR1 个计数
一个周期需要翻转两次,所以 fout = fcnt/2*CCR1

你可以在代码里改 CCR1 来调整输出频率：

__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, new_ccr_value);

四、输入捕获 vs 输出比较：统一理解

4.1 共性：都在用 CNT 和 CCR 做文章

输入捕获：外部信号边沿来 → 把当前 CNT 复制到 CCR
输出比较：内部 CNT 数到 CCR → 触发硬件行为（翻转 / 置位 / 中断）

所以真正的核心还是：

让 CNT 成为“时间轴”，CCR 是“关键时刻”的记录或比较值。

4.2 使用场景对比

输入捕获：
- 我有一个外部信号，我想知道它什么时候来、相邻两次间隔多长。
- 典型：频率计、测速、测脉宽。
输出比较：
- 我想让某个引脚在精确的时刻做某件事（翻转/跳变/触发）。
- 典型：精确脉冲、步进电机简单驱动、外设同步信号等。

五、常见问题与坑点总结

5.1 计数频率配置不合理

PSC 设置太大 → CNT 太慢 → 捕获值分辨率差、时间精度不够
PSC 太小 / ARR 太小 → CNT 容易溢出，捕获差值不好算

建议：

根据要测的信号频率，先估算一个合适的计数频率（比如 1MHz → 1us 分辨率）
ARR 设置得大一点，尽量让一个周期内 CNT 不会绕一圈

5.2 忘记开启中断 & NVIC

使用 HAL_TIM_IC_Start_IT() 或 HAL_TIM_OC_Start_IT() 时，要在 CubeMX 里勾选对应 TIM 中断
NVIC 优先级也要配置，不然回调不会触发

5.3 多通道共享同一个 CNT

一个定时器的所有通道共用同一个 CNT，输入捕获/输出比较只是通道级的
不要以为每个通道都有自己的计数器

这也意味着：你可以用 同一个定时器不同通道测一个信号的上升沿和下降沿，从而算出高电平时间、低电平时间。

六、结语

STM32 的定时器功能非常强大，输入捕获和输出比较只是其中两个非常实用但容易被忽略的“玩法”。掌握了这两个功能，你就可以：

把外部任意周期信号变成时间差 / 频率数据
把 MCU 的时间轴精确控制到在某个时刻输出某个脉冲 / 翻转

等你把这两个功能玩熟，再看编码器模式、互补 PWM、死区控制，就会顺畅很多：本质上都还是那几个寄存器和 CNT 在配合工作。