STM32F103 定时器输入捕获实战：测频测周、编码器测速、红外解码全流程拆解

STM32F103 定时器输入捕获实战：测频测周、编码器测速、红外解码全流程拆解

调试无刷电机驱动板时，要实时监测外部控制器发来的 PWM 调速信号频率。第一版用外部中断配合软件数脉冲：每个上升沿进一次中断，中断里读计数器、累加变量、还要防重入。几十行代码写出来，信号频率一过几千赫兹，CPU 占用率肉眼可见地飙，测量结果还时不时跳变------中断压栈出栈的开销全摊在每一条边沿上了。换用定时器输入捕获后，测量从「软件数脉冲」变成了「硬件盖时间戳」，边沿再多也只是往寄存器里写个值，CPU 完全解放，问题一次解决。本文从原理到代码拆解输入捕获的完整用法，并扩展到编码器测速与红外遥控解码。

一、输入捕获是什么：硬件版「盖时间戳」

定时器正常工作是数自己的时钟。输入捕获在此基础上加了一件事：当引脚出现指定边沿（上升沿/下降沿）时，硬件把计数器 CNT 的当前值瞬间锁存到捕获寄存器 CCRx。

关键在「瞬间」两个字------从边沿出现到值被锁存，全程没有 CPU 参与，延迟是固定的几个时钟周期。你可以把它理解成一个硬件时间戳：每个边沿进来，CCR 里就留下了「此刻 CNT 是多少」的记录。相比之下，软件读 CNT 有两个天生缺陷：读到的是「读了那一刻」的值，不是「边沿那一刻」的值；而且读的时候 CNT 可能正在变化，读出来是撕裂的。捕获寄存器把这两件事都堵死了。

对比外部中断方案：每来一个边沿，CPU 都要被中断打断、读计数器、存变量、处理完再回去------信号频率一高，CPU 全耗在数脉冲上，还容易丢边沿。输入捕获则只在需要取数时（或者干脆不取）才打断 CPU。

有了两个相邻边沿的时间戳，就能算周期：周期 = 两次捕获值之差（单位是计数）。计数频率 1MHz 时，差 5000 就是 5ms，频率 200Hz。测占空比同理：再配一路下降沿捕获（或者用 PWMI 模式让 TI1、TI2 同时触发），高电平时间 ÷ 周期就是占空比，一次中断里两个 CCR 都能读到。

二、测频率的两种范式：测频法 vs 测周法

拿到时间戳后怎么换算成频率，有两条路，误差来源正好相反。

测频法：在固定的闸门时间 T 里数出完整脉冲个数 N，频率 f = N / T。信号越快，T 里数到的 N 越多，相对误差 1/N 越小。适合高频。

测周法：只测一个完整周期，用高精度基准时钟去数这个周期里有几拍。周期越长（频率越低），数到的拍数越多，误差越小。适合低频。

两条路的误差在某个频率点上相等，这个点叫中界频率：fm = √(fc/T)。以计数频率 1MHz、闸门 1s 为例，fm ≈ 1kHz------高于 1kHz 用测频法，低于 1kHz 用测周法，这是一个常用的粗略分界。

实际工程里两种做法都常见：测频法适合「只关心频率」的场景（比如转速表），测周法适合「连周期抖动都要看」的场景（比如 PWM 信号分析）。F103 的输入捕获天然适合测周法------两个边沿就是两个时间戳，周期精确到 1µs；要做测频法则需要软件维护闸门窗口，多一层逻辑。本文主案例用测周法，把捕获的中断次数和溢出处理一起讲透。

三、主案例：测量 1kHz PWM 信号频率

硬件：PA0 接外部 1kHz 方波（另一块板输出），TIM2_CH1 默认就在 PA0，不用重映射。两个接线前提：信号源与本板共地，且电平在 3.3V 以内------F103 引脚不是高压耐受，5V 方波要分压或加电平转换。先用 1MHz 计数（1µs/计数），ARR 放最大 0xFFFF------这样单段可测到 65.535ms（约 15.3Hz 以上），溢出用中断补。

3.1 初始化五步

顺序固定：时钟 → 引脚 → 时基 → 捕获通道 → 中断与使能。

void Capture_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    /* ① 时钟：TIM2 挂 APB1，GPIOA 挂 APB2 */
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    /* ② PA0 浮空输入（信号源是推挽驱动） */
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /* ③ 时基：72MHz ÷ 72 = 1MHz，1µs/计数 */
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    /* ④ 捕获通道：上升沿、直连 TI1、不分频、不滤波 */
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0;
    TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure);

    /* ⑤ 中断：捕获 + 溢出（Update）都开，最后开闸 */
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_CC1 | TIM_IT_Update, ENABLE);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

一个细节：第 ⑤ 步的 TIM_Cmd 必须放最后。计数器先于中断配置跑起来，第一次进中断时 CC1 标志可能带着旧值，第一个周期数就是错的。

3.2 中断里取数：周期 = 溢出补偿 + 两次捕获差值

只要测的周期可能超过 65535 计数（1MHz 下 65.5ms），就必须开 Update 中断数溢出次数，否则 CNT 回绕一次，周期值就乱一次。

volatile uint32_t ovf_cnt = 0;    /* CNT 溢出（回绕）次数 */
volatile uint32_t last_ccr = 0;   /* 上次捕获值 */
volatile uint32_t period_cnt = 0; /* 本次周期，单位：计数 */

void TIM2_IRQHandler(void)
{
    /* 先处理溢出再加捕获值：两者同时挂起时，
       捕获锁存的是回绕前的 CNT，先加 ovf 才不会少算一次 */
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        ovf_cnt++;                /* CNT 从 65535 回绕到 0 */
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET) {
        uint32_t ccr = TIM_GetCapture1(TIM2);
        /* 周期 = 溢出补偿 + 两次捕获差值 */
        period_cnt = ovf_cnt * 65536 + ccr - last_ccr;
        last_ccr = ccr;
        ovf_cnt = 0;              /* 已折算进周期，清零 */
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1);
    }
}

主循环里换算并打印：

while (1) {
    if (period_cnt > 0) {
        uint32_t freq = 1000000UL / period_cnt;  /* 1MHz 计数 */
        printf("freq = %lu Hz, period = %lu us\r\n",
               freq, period_cnt);
        period_cnt = 0;
        delay_ms(500);
    }
}

这个量程对绝大多数应用够用。真要测更低频率（比如工频 50Hz、或者传感器慢速方波），两条路：把 PSC 加大降计数频率（比如 PSC=7199 → 10kHz 计数，量程拉到 6.5 秒，代价是分辨率变 100µs），或者干脆切到测频法数闸门里的脉冲。量程和分辨率是一对反着走的矛盾，按信号特点选即可。

四、扩展一：编码器模式，测转速还能判方向

测频率靠单通道捕获，测转速用编码器模式更省事：把编码器 A/B 两相分别接定时器的 CH1、CH2（TIM4 默认 PB6/PB7），硬件自动根据两相相位差给计数器加一或减一，方向判断不用写一行软件。

编码器模式按计数的边沿分三档：只在 A 相边沿计数（×1）、只在 B 相（×1）、A/B 双沿都计（×4）。用 TI12 模式3，一个机械周期数出 4 个沿，500 线编码器每圈 2000 计数，分辨率直接翻四倍。

和普通捕获通道对比，编码器模式把「判方向 + 计数」都下沉到了硬件：普通模式你要在中断里判断两个通道谁先触发，再手动加减自己的变量；编码器模式连中断都不用开，CNT 自己会加会减，主循环定时读一次就行------这正是「让硬件做硬件该做的事」的典型例子。

配置就一句话的事：

/* PB6/PB7 = TIM4_CH1/CH2，上拉输入 */
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;  /* 上拉输入 */
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;       /* 每沿计数 */
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);

/* 模式3（TI12）：A/B 双沿四倍频，方向由硬件判 */
TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM4, TIM_EncoderMode_TI12,
                           TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);

测速用差值，别读绝对值------编码器模式下 CNT 在 0~0xFFFF 之间自动加减（不同型号到边界的表现有差异，有的回绕有的饱和），闸门时间要保证读数间隔内变化量远小于量程：

uint32_t last_cnt = 0;
void Speed_Task(void)  /* 每 1s 调一次 */
{
    uint32_t now = TIM_GetCounter(TIM4);
    int32_t delta = (int32_t)(now - last_cnt); /* 有符号差值 */
    last_cnt = now;

    /* 500 线 ×4 倍频 = 每圈 2000 计数，1s 闸门 */
    int32_t rpm = delta * 60 / 2000;
    printf("rpm = %ld, %s\r\n", rpm,
           delta >= 0 ? "正转" : "反转");
}

五、扩展二：红外 NEC 解码，一个定时器搞定

遥控器的 NEC 协议本质也是一串脉冲宽度：38kHz 载波、9ms 引导码（高 4.5ms 低），逻辑 0 是 560µs 高 + 560µs 低，逻辑 1 是 560µs 高 + 1.69ms 低。一帧数据 32 位：8 位地址 + 8 位地址反码 + 8 位命令 + 8 位命令反码------反码的存在让校验变得很简单：命令和命令反码按位相加应全为 1。

解码思路：捕获每个边沿，把相邻边沿的差值存进缓冲区，然后按阈值判位------间隙 560 计数（1MHz 下 560µs）判 0，1690 计数判 1，4500 计数的长低电平是引导码，帧收齐后校验通过即完成一次解码。

阈值判位就三行逻辑，输入捕获在这里的价值是脉冲宽度测量零误差累积 ------软件延时轮询解码，脉冲一抖就错位，硬件时间戳没有这个问题。一个易踩的细节：红外接收头（如 VS1838B）输出是反相的（收到载波输出低电平），判位阈值要按接收头实际输出波形重新标定，别直接套协议原始时序。

六、六个最容易翻车的点

1. 外部中断代替捕获：高频下 CPU 飙升、抖动丢脉冲------测频率优先硬件捕获。
2. 溢出不处理：周期超 65535 计数时 CNT 回绕，测量值乱跳------开 Update 中断，溢出次数 ×65536 修正。
3. 毛刺重复触发：30cm 导线就能把边沿搞出抖动，一个周期触发两次------开 ICFilter 数字滤波（连续 N 次采样确认才认这个沿）。
4. 极性配反：上升沿配成下降沿，周期被劈成两段------测周期用上升沿，测占空比用双沿或 PWMI。
5. 从模式触发源限制：只有 TI1/TI2 能当从模式触发源，编码器模式也只认 CH1/CH2------信号接错通道，从模式不生效。
6. 编码器测速细节：忘乘 ×4 倍频转速差 4 倍；读绝对值不读差值转速恒 0；A/B 相漏上拉计数乱跳。

排查顺序建议：先示波器看边沿干不干净，再打印 CCR 看量级，最后查溢出与倍频------六成问题第一轮就暴露。

小结

输入捕获的本质是硬件时间戳：边沿一来，CNT 自动进 CCRx，CPU 只需要在中断里做减法。测频测周二选一，编码器模式免费送方向判断，红外解码靠脉冲宽度测量------这三个场景覆盖了嵌入式测量的大半需求。

再往下走，捕获事件还可以接 DMA：每个边沿自动把 CCR 搬进内存数组，主循环一次性处理一批，连中断都省了------这是输入捕获的高阶玩法，信号密度再高也不怕。下篇预告：把捕获到的频率接进任务系统，用 uC/OS-II 的信号量把中断和采集任务串起来，做一版真正的多任务测速仪。