07 输入捕获和编码器接口

前言

前面介绍了定时器和输出比较，这一节主要介绍一下输入捕获测量输入频率和PWM占空比，然后介绍一下编码器接口。

一、输入捕获

1.什么是输入捕获

当输入的引脚有指定电平跳变时，会将计数器CNT中的值保存在CCR中，这个就称为输入捕获。

2.输入捕获测频率

我们可以通过获取输入的值来测量频率，这里有两个计算的方法：

2.1 测频法

在一个闸门时间T内，对上升沿进行计数，得到计数值N，频率就为=N/T。

2.2 测周法

在一个标准的频率fc下，对上升沿进行计数，得到计数值N，频率就为：fc / N。

3.输入捕获的内部结构

接下来了解一下输入捕获的内部结构，只有了解了内部结构，我们写代码才会很轻松，下图就是输入捕获的内部结构：

可以看到，从GPIO口输入电平，然后通过输入捕获单元，检测到触发电平，如果是设定的电平就会将CNT中的值保存到CCR中，然后通过配置从模式来将CNT中的值清0。

了解了这个结构后我们大概就知道如何配置输入捕获了。

首先配置外部输入，即GPIO口，然后配置定时器，因为输入捕获是定时器的一个工作模式，然后配置从模式，使用从模式的Reset来清空计数器CNT，这样就是配置好输入捕获了。

我们可以通过读取CCR中的值来计算频率。

4.软件实现

前面了解了硬件结构后，我们就可以使用软件来一一实现了，首先要打开时钟，时钟是stm32中最重要的一个部件，如果不打开时钟，就算配置了也没办法运行。

4.1 打开时钟

这里我们从上面的硬件分析可以得到，其实就是只用开启两个时钟，一个是GPIO的时钟，另一个就是TIM的时钟，输入捕获这个功能是在TIM中的，所以打开了TIM的时钟，输入捕获和输出比较也就打开了。

所以这里的代码就比较简单，我这里使用TIM3作为输入捕获的定时器，那么打开的代码如下：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

4.2 配置GPIO口

GPIO口做为一个外部信号的输入口，所以要为其设置输入模式，那选择什么模式最好呢？这里可以翻看一下手册：

可以看到GPIO配置为浮空输入，但是其实这里也可以配置为上拉输入，浮空输入就是能很好的捕捉电平的变化，但是没有上拉或者下拉导致不是很稳定，这里因为都是一个电平的跳变，就算是使用上拉，当输入的是高电平后会跳变为低电平，然后再变成高电平，所以这里可以选上拉或者下拉。

如果你不清楚这个跳变到底是什么，你可以选择浮空输入，这样获得的要好一点。

这里就是正常的配置GPIO口即可：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;   // 这里使用上拉输入
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

这里是使用的是TIM3的通道1。

4.3 配置TIM

现在需要配置一下TIM了，在配置GPIO那配置的是TIM3的通道1，所以这要配置一下TIM3。

如果你选择的是TIM2，那上面要配置TIM2对应的引脚。

这里的配置方法和之前配置定时器那一样：

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct = {0};

TIM_InternalClockConfig(TIM3);    // 使用内部时钟
    
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;       // 不分频
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;     // 向上计数
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 65536 - 1;     // 这里需要注意
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 72 - 1;      // 频率
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;       // 重复计数器，高级定时器才有的功能
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStruct);

这里的自动重装寄存器是填了一个最大值，是因为这里的输入捕获是用CNT对变化电平进行计数，而CNT中的值和自动重装寄存器ARR中的值一致时，就会使得计数器清0然后发送一个信号，如果这里到了ARR中的值后，还有变化的电平，是不是就会被舍弃。

所以这里为了防止这个问题，我们将ARR中的值设置成最大值，防止出现到了自动重装值时还有变化，所以用个最大的值，防止溢出。

4.4 配置输入捕获

这个也是使用一个结构体来进行配置的，结构体类型为：

typedef struct
{

  uint16_t TIM_Channel;      /*!< 指定 TIM 通道。
  此参数的值可以是 @ref TIM_Channel */

  uint16_t TIM_ICPolarity;   /*!< 指定输入信号的有效边沿。
  此参数的值可以是 @ref TIM_Input_Capture_Polarity */

  uint16_t TIM_ICSelection;  /*!< 指定输入。
  此参数的值可以是 @ref TIM_Input_Capture_Selection */

  uint16_t TIM_ICPrescaler;  /*!< 指定输入捕获预分频器。
  此参数的值可以是 @ref TIM_Input_Capture_Prescaler */

  uint16_t TIM_ICFilter;     /*!< 指定输入捕获筛选器。
  此参数可以是介于 0x0 和 0xF 之间的数字 */
} TIM_ICInitTypeDef;

第一个参数TIM_Channel是选择通道，这个是通过之前说的引脚来进行设定的：

前面比如是设置了TIM3_CH1，那这里就填写TIM_Channel_1。

第二个参数TIM_ICPolarity，这个参数是选择有效信号的，可以选择TIM_ICPolarity_Rising高电平触发，TIM_ICPolarity_Falling低电平触发。

第三个参数TIM_ICSelection，指定输入，有信号直连TIM_ICSelection_DirectTI和交叉TIM_ICSelection_IndirectTI。这个需要拿个图来看看：

从这可以看到，我们通过选择TI1FP1它可以连到两个输入通道，一个是连到输入通道1，另一个连到通道2，直接配置到输入通道1的就叫做直连模式，如果连到输入通道2就叫做交叉模式。

第四个参数TIM_ICPrescaler就是分配器。

第五个参数TIM_ICFilter这个参数是选择过滤器的分辨率。

了解了结构体后我们就可以配置一下结构体中的内容了，这里我直接使用定时器通道1和输入通道1，所以模式就是直连：

TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0xF;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;      // 有效电平高电平
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;     // 直连
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);

这里再举一个例子，我这还是定时器通道1，输入通道变成了通道2，那这就选择交叉模式，代码如下：

TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0xF;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;      // 有效电平高电平
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_IndirectTI;     // 交叉
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);

这样就可以通过读取输入通道2中的CCR值来获取有效电平的次数了。

我们可以通过这个来计算PWM的频率和PWM的占空比，一个输入通道来获取PWM频率，另一个通道获取PWM的占空比。

一个通道两个设置的方法如下：

TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0xF;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;      // 有效电平高电平
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;     // 直连
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);

TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0xF;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Falling;      // 有效电平低电平
TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_IndirectTI;     // 交叉
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);

一个通道分别有直连和交叉，然后一个是高电平有效，一个是低电平有效。

4.5 配置从模式

我们在前面知道，需要配置个从模式让从模式去执行Reset操作来讲CNT中的值清0，这里只需要使用俩个函数就可以实现，首先是第一个TIM_SelectInputTrigger，这个函数是选择触发器源，在这个图中：

可以看到在边缘检测电路后有四个信号，分别是是TI1FP1、TI2FP2、TI3FP3、TI4FP4，这几个信号可以触发从模式，我们先用这个定时器的输入通道后，然后通过TIM_SelectSlaveMode函数来设置从模式。

比如说我们上面设置的是TIM3定时器，而且是使用的是TIM3_CH1，那这的设置函数就为：

TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_TI1FP1);
TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_Reset);

再比如说，这里是TIM2的CH2，那设置函数为：

TIM_SelectInputTrigger(TIM2, TIM_TS_TI2FP2);
TIM_SelectSlaveMode(TIM2, TIM_SlaveMode_Reset);

这里的信号TIxFPx和定时器是什么无关，只和通道有关。stm32f103c8t6只能配置4个输入捕获，所以这里的x是从1到4。

4.6 使能定时器

这个就不详细说了，就是使用TIM_Cmd()函数就可以使能了，代码如下：

TIM_Cmd(TIMx, ENABLE);

5.输入捕获测频率和占空比

上面介绍了代码的实现，这里来介绍一下，如果使用输入捕获来获取PWM频率和PWM占空比。

这个的代码实现比较简单，就是设置为输入捕获模式，然后写两个转换函数即可：

#include "ic.h"

void IC_Init()
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct = {0};
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct = {0};
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;  // 这里使用的是TIM3_CH2
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    TIM_InternalClockConfig(TIM3);
    
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 65536 - 1;
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 72 - 1;
    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStruct);
    
    TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_2;       // 直连模式要选择通道2
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0xF;
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;        // 直连模式
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);
    
    TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;          // 交叉模式要选择通道1
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0xF;
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Falling;   // 这里需要和上面设置的有效电平分割开，要不然会出现运行不了的问题，我试过，必须要分开，要不然测试不了。
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_IndirectTI;      // 交叉模式
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);
    
    TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_TI2FP2);
    TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_Reset);
    
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

uint32_t IC_Get_Freq()
{
    // 转换为频率
    return 1000000 / (TIM_GetCapture2(TIM3) + 1);      // 用输入捕获设置的频率除以标准时钟72MHz后得到1000000，然后用这个频率除以获取的N即可得到频率。
}

uint32_t IC_Get_Pulse()
{
    // 转换为占空比
    return ((TIM_GetCapture1(TIM3) + 1) * 100) / IC_Get_Freq();      // 这个算法是在PWM占空比那说过的。这里不重复
}

这样就可以获取得到PWM的频率和占空比了。

二、编码器接口

1.什么是编码器接口

编码器接口可接收增量（正交）编码器的信号，根据编码器旋转产生的正交信号脉冲，自动控制CNT自增或自减。

下图是一个正交编码器的图：

可以看到，编码器的这个波形，A项和B项的波形是相差90度的，所以这两个波形在一起就可以分正和反了。

2.编码器接口的硬件结构

我们可以用前面学过的输入捕获或者是中断来实现编码器的实现，但是，在stm32f103c8t6中设置了一个编码器接口，我们可以直接使用硬件来实现编码器的测试。

硬件结构如下：

可以看到非常的简单，只需要在前面的基础上增加个编译器接口的配置即可。

使用的函数是：

void TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_EncoderMode,uint16_t TIM_IC1Polarity, uint16_t TIM_IC2Polarity);

这个函数就可以设置编码器接口了，首先设置GPIO口，因为我们的这个编码器是需要两个输入的，所以需要设置两个引脚作为输入引脚，然后配置定时器，配置为定时器后需要配置输入捕获，之后就使用上面的函数进行配置编码器接口。

第一个参数TIMx是定时器的编号。

第二个参数TIM_EncoderMode是使用模式，可以选下面这几个模式：

模式	解释
TIM_EncoderMode_TI1	使用TI1FP1作为编码器设置
TIM_EncoderMode_TI2	使用TI2FP2作为编码器设置
TIM_EncoderMode_TI12	使用TI1FP1和TI2FP2作为编码器设置

第三个参数TIM_IC1Polarity是选择TI1FP1是正项还是反向，第四个参数TIM_IC2Polarity和第三个参数一样，是选择TI2FP2。

当两个都选择正向或者是反向时，就如下图的时许一样：

当TI1有上升电平，TI2还是低电平时，计数器就会自增，当TI2有上升电平，TI1是高电平时，计数器也会自增。

当TI1FP1或者TI2FP2有一个是反项时就会变成下面的时许：

在正向时TI1有上升电平，TI2还是低电平时，计数器就会自增，但反向后就是变成自减了。

也就是说当正向的自增转到反向后就会变成自减。

3.软件实现

硬件结构讲完成后，就可以用代码来对其中的功能进行一个实现了。

3.1 时钟开启

这里的开启时钟也就只需要开启GPIO的时钟和定时器的时钟，因为编码器接口也是定时器的一个附加功能，所以只用开启GPIO和定时器的时钟即可，不需要额外的时钟开启。

3.2 GPIO口配置

这里还是需要配置GPIO口，因为需要外部的编码器的输入，这里选择的引脚和定时器的输入捕获和输出比较一样，需要查看引脚的复用功能是不是在TIM定时器的通道上，如果不在那就不能使用。

这里选择的是定时器3的通道1和通道2，对应的引脚是PA6和PA7。

配置代码如下：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

3.3 配置定时器

配置的方法也是和上面一样，打开TIM3定时器，然后配置一系列操作，但这里需要改变一下，预分频器PSC这里就不需要分频，只需要填写1-1即可，1就是不分频，这里是又编码器接口硬件来进行操作即可，然后自动重装寄存器ARR只需要配置最大即可，也不需要TIM指定使用内部时钟，这个时钟也是由编码器接口来提供的。

TIM_TimeBaseTypeDef TIM_TimeBaseStruct = {0};
TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 65536 - 1;
TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 1 - 1;
TIM_TimeBaseStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStruct);

3.4 配置输入捕获

这里需要注意一下，有些东西在这配置时不需要配置，只需要配置两个参数即可，需要配置的有通道TIM_Channel和过滤器的分辨率TIM_ICFilter然后其他的不需要配置。

所以这里需要使用一个函数来为结构体赋一个默认值：

TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct = {0};
TIM_ICStructInit(&TIM_ICInitStruct);

TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0x0F;
TIM_Init(TIM3, &TIM_ICInitStruct);

TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0x0F;
TIM_Init(TIM3, &TIM_ICInitStruct);

这里可能会比较好奇为什么那些都不配置，比如说预分频器和有效电平和反向，这是因为在配置编码器接口那就已经配置好了的，不需要我们再进行配置，编码器接口会为这个输入捕获一个时钟，所以就不需要分频了，然后反向也是，也是那一个函数就可以配置好了的。

3.5配置编码器接口

这里就使用上面介绍的那个函数即可配置：

TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);

这里我都设置的是不反向，是为了方便。

3.6 使能定时器

最后使能一下定时器就可以了，使能方法之前介绍了很多遍，这里就不再拉出代码了，下面完整代码中有。

3.7 完整代码

这里为了方便，我把完整代码贴出来：

void Encoder_Init()
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStruct = {0};
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStruct = {0};
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Period = 65536 - 1;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_Prescaler = 1 - 1;
    TIM_TimeBaseStruct.TIM_RepetitionCounter = 0;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStruct);
    
    TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0x0F;
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);
    
    TIM_ICInitStruct.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
    TIM_ICInitStruct.TIM_ICFilter = 0x0F;
    TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStruct);
    
    TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12, TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
    
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

总结

通用定时器的相关操作就介绍完成了，后面有机会的话给大家介绍一下高级定时器，高级定时器可以操作三项无刷电机，等后面有时间我做一个无人机会使用到高级定时器。