STM32外设学习--TIM定时器--输入捕获---测频方法。

上两次我们学习了定时器的定时中断，定时模式，输出比较模式。外部时钟，内部时钟。还有PWM。这次我们来看输入捕获模式。首先我们先来简单看一下输入捕获模式。

一. 输入捕获工作原理

输入捕获的核心是：当检测到定时器通道引脚上出现指定的电平跳变（如上升沿或下降沿）时，当前定时器计数器（TIMx_CNT）的值会被自动锁存到对应的捕获/比较寄存器（TIMx_CCRx）中。通过记录两次跳变沿对应的CNT值，结合定时器的计数频率，就可以计算出时间间隔。

根据测量需求，通常有两种工作模式：

工作模式	测量目标	实现方式
单通道捕获	频率或脉宽	单个通道需在上升沿和下降沿捕获模式间切换，并配合中断处理，可测量频率或脉宽-5。
PWM输入模式	频率和占空比	仅TIMx_CH1或TIMx_CH2 支持。一个信号同时连接到两个捕获通道（如IC1和IC2），分别设置为上升沿和下降沿触发。结合从模式，可自动复位CNT，一次捕获即可获得周期和占空比-4。

二. 输入捕获配置步骤

以下是配置STM32F103C8T6输入捕获功能的一般步骤，以使用库函数为例：

开启时钟
- 使能所用定时器（如TIM2、TIM3、TIM5等）的时钟，通常通过RCC_APB1PeriphClockCmd()函数实现。
- 使能对应GPIO端口的时钟（如GPIOA），通过RCC_APB2PeriphClockCmd()函数实现
  
  。
初始化GPIO
- 将用于捕获的GPIO引脚（例如TIM2_CH1对应PA0）配置为复用功能上拉/下拉输入 模式。
初始化定时器时基单元
- 配置TIM_TimeBaseInitTypeDef结构体成员，包括预分频器（TIM_Prescaler）、自动重装载值（TIM_Period）、计数模式等，以设定CNT的计数频率和计数范围。
配置输入捕获通道
- 配置TIM_ICInitTypeDef结构体，这是核心步骤：
  - TIM_Channel：选择捕获通道（如TIM_Channel_1）。
  - TIM_ICPolarity：设置捕获极性（上升沿/下降沿）。
  - TIM_ICSelection：设置输入选择，通常直连（TIM_ICSelection_DirectTI）。
  - TIM_ICPrescaler：设置捕获分频，通常不分频（TIM_ICPSC_DIV1）。
  - TIM_ICFilter：设置滤波器参数，用于抑制毛刺。
配置中断/DMA（可选）
- 如果需要，使能捕获比较中断（TIM_IT_CCx）和更新中断（TIM_IT_Update）。
- 配置NVIC，设置中断优先级并编写中断服务函数。
使能定时器
- 调用TIM_Cmd()使能定时器，开始计数。

三.输入捕获的简介

跟我们输出比较做一下对比。

也就是这里CNT和CCR是作为比较电路的输入。根据CNT和CCR的大小关系，从引脚输出，高，低电平。

输入捕获的话就是，一旦这四个通道，有边沿的变化，那么输入滤波和边沿检测就会发现这个变化，让输入捕获电路产生动作。让当前CNT的值，锁存到CCR中，和外部中断差不多，外部中断是向CPU申请中断，然而输入捕获是控制后续电路。

对比输出比较，输出比较引脚是输出端口，是根据CNT和CCR的大小关系来进行输出动作

输入捕获引脚是输入端口。是接收到输入信号，让当前CNT的值，锁存到CCR中。

来到原理图我们就可看到，输入捕获电路是我们左边的一部分。右面就是我们了解过的，输出比较部分，可以看到，4个输入捕获，和4个输出比较通道，共用4个CCR寄存器。另外他们的

CH1-CH4四个通道引脚也是共用的。所以对应同一个定时器，输入捕获和输出比较，只能使用其中一个，不能同时使用。

拿输入捕获电路来说，通用定时器和高级定时器，他们的通道是一样的

剩下的两个功能非常巧妙，把这两个功能组合起来，测量频率和占空比就可以硬件全自动执行。软件不需要任何干预，也不需要进行中断。需要测量时候，直接读取CCR的值就可以了，极大的减轻了软件的压力。

四.频率是如何测量的

1.频率的解释

越往左频率越高，越往右频率越低。这里信号都是只有高低电平的数字信号。对于STM32测频率而言，也只能测量数字信号。如果需要测量一个正弦波，那还需要搭建一个信号预处理电路，最简单的就是用运放，搭建一个比较器。把正弦波变为数字信号，再输入给我们的STM32就可以了。

如果测量的电压非常高，那还需要考虑一下，隔离的问题。

2.测频法

在闸门时间T内，对上升沿计次（计次下降沿也可以，只是极性不同）的到N。

待测信号的频率就是fx = N/T。

自定义一个闸门时间T，通常为1S。在1S时间内对信号进行计次，每来一个上升沿记次+1，每来一个上升沿就是来了一个周期信号。所以在1S时间内，来了多少个周期，那么他的频率就是多少Hz。这符合频率的定义，频率的定义就是1S内出现了多少个重复的周期。

3.测周法

测周法就是，周期的倒数就是频率，我们如果能测出一个周期的时间，那么周期在取倒数就是我们的频率了。

我们捕获两个上升沿，然后测量一下，这两个上升沿之间持续的时间。就可以了，实际上也是定时器计次，我们使用一个已知的标准频率fc计次时钟来驱动计数器，然后从一个上升沿开始记，计数器从0开始，一直记到下一个上升沿。记一个数的时间是1/fc。记N个数，时间就是N/fc。N/fc就是周期再去一个倒数，就得到了频率。fx=fc/N。

4.区别以及优缺点

1.测频法适合高频率信号，测周法适合低频率信号。

2.测频法在闸门时间内，最好要多出现一些上升沿。计数数量多一些，这样有助于减少误差。在计次N很少时误差会非常大。

3.测周法要求频率低一些。低频信号，周期比较长，计次就会比较多。有助于减小误差。

4.测频法测的是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有变化，那么得到的实际上是这个闸门时间内的平均频率，如果1S为闸门时间，那么1S才更i性能一次，所以测频法更新时间慢，测量结果是一段平均值，值比较平滑。

5.测周法，测量一个周期就能出现结果，所以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--几千赫兹。所以测周法更新结果块。因为只测量一个周期，那么受噪声影响，波动比较大。

这就是这两种方法的对比。两种测量的方法N都要大一些，N越大，测量的误差越小。

5.方法的选择

我们了解到，高频适合测频法，低频适合测周法，那么多少频率算高，多少频率算低呢

这里就要引入我们中界频率的概念

当待测信号小于中界频率时测周法误差小，当待测信号大于中介频率时，测频法误差小。

五.用单片机实现

1.电路

我们可以看到这里有一个三通道的异或门，异或门是当三个引脚的电平有任意一个反转时候，就会输出低电平。之后输出通过数据选择器，进入到输入捕获通道1，数据选择器如果选择上面的。那么输入捕获1的通道，就是三个引脚的异或值。如果选择下面的一个，那么异或门就没有用，输出是下面各自的通道。设计这个异或门其实还是为了三项无刷电机服务的。

无刷电机有三个霍尔传感器，检测转子位置，可以根据转子的位置进行换向。有了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。去驱动换向电路工作。

输入信号过来，介入了输入滤波器，边沿检测器，可以对信号进行滤波，避免一些毛刺信号误触发。边沿检测器可以检测，高电平触发，还是低电平触发。

其实它设计了两套滤波的选择，第一套经过滤波和极性选择，输入给通道1，第二套经过滤波和极性选择，得到TI1FP2。

输入给下面，通道2的后续电路。同理下面的信号进来，也可以有一路信号去到通道一。

这样做的目的，可以灵活的更改电路，比如想要CH1作为输出，一会要以CH2作为输出。

又可以把一个引脚的输入，映射给两个输出比较单元。这也是PWMI模式的经典结构。

2.解释

因为这样子可以一路使用上升沿触发，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。

后面经过预分频之后，就可以触发捕获电路，每来一个信号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，可以用来中断。

3.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，所以这部分叫主模式

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。触发源选择，就是选择从模式的触发源的。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。从模式可以在后面的列表里，选择一个来进行执行。

如果想要完成我们刚才的任务，让TI1FP1自动触发CNT清零，那么触发源选择，就可以选择TI1FP1，映射到TRGI，然后执行reset操作。这样TI1FP1的信号就可以自动触发从模式，然后从模式就会自动清零CNT的值。实现硬件全自动清零。

可以打开手册，然后看看各种主模式的解释。如果想要实现定时器的级联，就可以选择一个定时器主模式，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，执行外部时钟模式1操作，这样子就能实现定时器的级联了。

4.输入捕获基本结构

这个结构我们只使用了一个通道，所以只能用来测量频率。右上角是时基单元，我们把时基单元配置好，然后启动定时器。那么CNT就会在预分频之后的时钟驱动下，不断自增。这个CNT就是我们测周法用来计数记时的东西。

经过预分频之后的时钟频率，就是我们驱动CNT的标准频率fc。

标准频率=72MHz/预分频系数

然后下面输入捕获通道1的I/O口输入一个方波信号。经过滤波器和边沿检测，选择TI1FP1为上升沿触发。之后输入选择直连通道，分频器选择不分频，当TI1FP1出现上升沿之后，CNT当前计数值，转运到CCR1里面，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，也会通过上面的通道，去触发CNT清零0。但是有先后顺序，先转移CNT的值，在进行CNT的清零，这就是主从的原因，先主后从。

5.波形讲解

在这里我们可以看到信号出现一个上升沿时候，CCR1=CNT，就是把CNT的值放在CCR1里面。然后CNT=0，计数器清零。这是从模式自动执行的。然后一个周期内，CNT在基准时钟的信号下，不断自增。直到下一个上升沿到来。

这里CNT的计数值，就是我们的N，fc/N就是信号的频率。这里我们不读取的话整个电路自动测量，不占用软件资源。

值得注意的是，ARR的值是有上线的，一般我们设置为最大，65535，那么CNT最大也只能计65535个数。如果信号频率太低，CNT可能会溢出。

还有就是触发源从模式的选择，这里可以看到，只有TI1FP1,TI2FP2没有3和4.

所以如果使用从模式，自动清零，CNT,就只能选择通道1和通道2.对于通道3和通道4，就只能开启捕获中断，在中断里手动清零0。过这样子，程序就会处于频繁的中断状态，比较消耗软件资源。

6.PWMI的基本结构

这里使用了两个通道，同时捕获一个输入引脚，可以同时测量频率和占空比。

首先TI1FP1设置上升沿触发，触发捕获和CNT清零。正常的捕获周期，这时候我们再来一个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。

这时会发生，上升沿，CCR1捕获，同时清零CNT的值。之后CNT一直++，直到下降沿到来触发CCR2捕获，所以这时候CCR2的值就是从信号的上升沿，到下降沿的计数值，就是高电平期间的计数值，CCR2捕获，并不会触发CNT的清零，所以CNT继续++，直到下一个上生沿到来，触发CCR1捕获，CNT清零。这样子执行之后CCR1就是一整个周期的计数值，CCR2就是高电平期间的计数值，我们用CCR2/CCR1就是占空比了。

这就是PWMI模式，使用两个通道，来进行捕获频率和占空比的思路。

这里还可以两个通道同时对第一个引脚进行捕获，这样子通道二的前面部分就没有用到。

到这里我们输入捕获就结束了，下一篇博客我们来学习代码部分。