STM32输入捕获（附代码）

最新推荐文章于 2025-05-02 23:58:08 发布

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分类专栏：嵌入式开发文章标签： stm32 嵌入式硬件单片机

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输入捕获简介

从框图中可以看出，输入捕获和输出比较，一个通道共用一个寄存器，共用一个引脚，所以输入捕获和输出比较一个通道只能使用其中一个功能。
在这里插入图片描述
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，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。（就是当输入引脚产生上升沿，输入捕获电路会捕捉到电平跳变，控制CNT锁存到CCR中。）
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（PWM的输入模式），同时测量频率和占空比。
可配合主从触发模式，实现硬件全自动测量。

频率测量

在这里插入图片描述
测频法适用于高频的测量，测周法适用低频的测量
高频和低频的分界线就是中界频率，比中界频率低就适用测周法，比中界频率高就使用测频法。

测频法：适使用外部中断或者定时器外部时钟对外界的信号进行计次，然后定时器定时（假设1s）对外部信号进行计算，几个信号频率就是几。

框图解释

在这里插入图片描述
最左边就是四个输入，前三个输入端都接到了异或门上，当其中一个引脚跳变，异或门就输出1，之后通过数据选择器到达输入捕获通道1，如果数据选择器选择上面一个，那么输入捕获通道1的输入就是3个引脚的异或值，如果选择下面一个，4个通道就各用各的引脚。

异或门的作用是为三相无刷电机服务的，无刷电机有3个霍尔传感器检测转自的位置，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，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。

输入信号输入到了输入滤波器和边缘检测器。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。边缘检测器这就和外部中断那里是一样的，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，电压检测电路就会触发后续电路执行动作。
框图中其实是设计了两套滤波和边缘检测电路。

第一套电路经过滤波和极性选择得到TI1FP1输入给通道一的后续电路。第二条电路经过另一个滤波和极性选择得到TI1FP2输给下面通道二的后续电路。同理，下面TI2信号进来也经过两套滤波和即兴选择，得到TI2FP1和TI2FP2。其中TI2FP1输给上面，TI2FP2输给下面，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，让CH2引脚输入给通道一或者CH1引脚输入给通道二。

那这里为什么要进行交叉连接呢？
第一个目的可以灵活切换后续捕获电路的输入，比如你一会儿想以CH1作为输入。一会儿想以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。
第二个目的，也是他交叉的主要目的，就是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模式的经典结构。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。这就是PWMI模式。
一个通道灵活切换两个引脚和两个通道同时捕获一个引脚，这就是这里交叉一下的作用和目的。
同样，下面通道三和通道四也是一样的结构，可以选择各自独立连接。也可以选择进行交叉。

继续往后看输入信号进行滤波和极性选择后就来到了预分频器。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，每来一个触发信号，CNT的值就会像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置标志位，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。这就是整个电路的工作流程。

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，因为这个CNT计数器是由内部的标准时钟驱动的，所以CNT的数值其实就可以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。

因为CNT是从0开始进行自增的，自增到某个值触发上升沿了，那么这个值就转运到了CCR，此时就知道过了多久来一次上升沿了。CNT的驱动时钟就是fc，fc / N就是待测频率了。假设fc是100HZ，如果N是50就说明计数了50，来一次上升沿，此时捕获到的频率就是2HZ。

每次捕获之后我们都要把CNT清零一下。这样下次上升沿在捕获的时候取出的CNT才是两个上升沿的时间间隔。

细节

在这里插入图片描述

上图是输入捕获通道1的一个更详细的框图。引脚进来还是先经过一个滤波器，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。下面CCMR1寄存器里的ICF位可以控制滤波器的参数。
那这个滤波器具体是怎么工作的呢？可以看一下手册。
在这里插入图片描述

简单理解，这个滤波器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会高电平，连续N个值都为低电平输出才为低电平。如果你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，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。下面那些描述，就是每个参数对应的采样频率和采样个数。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。为了能够采样，滤波器的频率一般都是远高于信号频率的。

滤波之后的信号通过边缘检测器捕获上升沿或者下降沿，用这个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一后续的捕获电路。当然这里实际应该还有一套一样的电路，得到TI1FP2触发信号，连通道通道二的后续电路，这里并没有画出。同样通道二有TI2FP1连通到通道一的后续，通道二也还有TI2FP2连通到通道二的后续，总共是4种连接方式。

然后经过数据选择器进入后续捕获部分电路。CC1S位可以对数据选择器进行选择，之后ICPS位可以配置这里的分频器可以选择不分频，二分频，四分频，八分频。最后CC1E位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，经过层层电路到达IC1PS，就可以让CNT的值转运的CCR里面来。另外刚才说了每捕获一次CNT的值，都要把CNT清零一下，以便于下一次的捕获。在这里硬件电路就可以在捕获之后自动完成CNT的清零工作。

如何自动清零CN呢？
这里这个TI1FP1信号和TI1_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，通过TI1FP1还可以同时触发从模式，这个从模式里面就有电路可以自动完成CNT的清零。

主从触发模式

主从触发模式就是主模式，从模式，触发源选择这三个模式的简称。
在这里插入图片描述
主模式可以将定时器内部的信号映射到TRGO引脚上用于触发别的外设。
从模式是用于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的。可以认为是从模式的一部分。触发源选择选择一个指定的信号得到TRGI。TRGI去触发从模式，从模式可以从列表中选择一项操作来自动执行。

如果想完成刚刚说的，想让TI1FP1信号自动触发CNT清零。触发源选择就可以选择TI1FP1，从模式选择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。

主从模式也可以在手册中看他们的寄存器描述，有很多功能。

输入捕获与PWMI基本结构

在这里插入图片描述
从图中可以看出，标准频率fc = 72M / 预分频系数。
需要注意的是，ARR重装寄存器最大是65535，如果信号频率太低，CNT计数值可能会溢出。
从模式触发源选择也只有TI1FP1和TI2FP2，没有TI3和TI4的信号。对于通道3和通道4，只能开启捕获中断在中断中手动清零，但是这样程序就会频繁处于中断的状态，比较消耗软件资源。

在这里插入图片描述
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。
TI1FP1配置上升沿触发，触发捕获通道和清零CNT正常的捕获周期。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。
看左上角可以知道，下降沿在CCR2捕获计数的时候，记录了高电平的时间，此时并不触发CNT清零，然后上升沿结束后，再次清零，重新开始。此时就记录了高电平的时间和整个周期的时间。用CCR2 / CCR1就可以得到占空比。

库函数介绍

void TIM_ICInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_ICInitTypeDef* TIM_ICInitStruct);

因为存在交叉通道的配置，所以ICInit配置四个通道共用一个函数。

void TIM_PWMIConfig(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_ICInitTypeDef* TIM_ICInitStruct);

可以快速的配置两个通道。

void TIM_ICStructInit(TIM_ICInitTypeDef* TIM_ICInitStruct);

可以给输入捕获结构体赋一个初始值。

void TIM_SelectInputTrigger(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_InputTriggerSource);

选择输入触发源TRGI，这个函数对应从模式的触发源选择。

void TIM_SelectOutputTrigger(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_TRGOSource);

选择主模式的输出的触发源。

void TIM_SelectSlaveMode(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_SlaveMode);

选择从模式

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);

这四个函数分别单独配置通道1，2，3，4的分频器，结构体中也可以配置。

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);

分别读取4个通道的CCR。这四个函数和TIM_SetCompare函数是对应的，读写的都是CCR寄存器。输出比较模式下，CCR是只写的，要用TIM_SetCompare写入。输入捕获模式下，CCR是只读的，要用TIM_GetCapture读出。

代码

输出捕获测频率

void IC_Init()
{
	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);//上电后默认就是内部时钟，不写这个函数也行
	
	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重装寄存器的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;//1MHz
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;//重复计数器的值，这是高级定时器的，我们配置TIM2，所以直接给0
	TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
	TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;//选择滤波
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;//选择极性
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;//分频 
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //触发信号从哪个引脚输入（直连还是交叉）
	TIM_ICInit(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);
}

将图中所有通道打通即可实现测频率。

PWMI模式测频率占空比

可以使用将结构体赋值一份，修改相应的参数进行配置。
但是ST公司提供了库函数可以直接配置。但是只支持通道一和通道二相互配置，通道三和四不支持。

void IC_Init()
{
	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);//上电后默认就是内部时钟，不写这个函数也行
	
	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重装寄存器的值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1;//1MHz
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;//重复计数器的值，这是高级定时器的，我们配置TIM2，所以直接给0
	TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);
	
	TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
	TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xF;//选择滤波
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;//选择极性
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;//分频 
	TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //触发信号从哪个引脚输入（直连还是交叉）
	TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);
	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);
}

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