基于定時(shí)器捕獲測量脈寬的應(yīng)用示例

時(shí)間：2021-08-19 16:35:15

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[導(dǎo)讀]關(guān)注「嵌入式大雜燴」，星標(biāo)公眾號(hào)，一起進(jìn)步！來源：茶話MCU我們知道，利用單片機(jī)定時(shí)器捕獲功能測量脈沖信號(hào)寬度及占空比是種很常見的做法。這里以STM32的定時(shí)器為例來介紹基于其捕獲功能實(shí)現(xiàn)對(duì)脈寬的測量的思路及過程。一般來講，使用STM32定時(shí)器的捕獲功能來實(shí)現(xiàn)脈寬測量，我們可以選...

關(guān)注「嵌入式大雜燴」，星標(biāo)公眾號(hào)，一起進(jìn)步！

來源：茶話MCU

我們知道，利用單片機(jī)定時(shí)器捕獲功能測量脈沖信號(hào)寬度及占空比是種很常見的做法。這里以STM32的定時(shí)器為例來介紹基于其捕獲功能實(shí)現(xiàn)對(duì)脈寬的測量的思路及過程。

一般來講，使用STM32定時(shí)器的捕獲功能來實(shí)現(xiàn)脈寬測量，我們可以選用一個(gè)通道、也可以使用兩個(gè)通道。使用1個(gè)通道時(shí)，只需使用定時(shí)器基本的輸入捕獲功能結(jié)合中斷或DMA即可實(shí)現(xiàn)；若使用兩個(gè)通道時(shí)可以將捕獲功能與定時(shí)器的從模式來相結(jié)合完成。這里就兩種方案的實(shí)現(xiàn)示例都做個(gè)簡單介紹。

不妨先介紹基于單個(gè)通道的輸入捕獲功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)1路信號(hào)脈沖寬度及占空比的測量，并在測量過程中統(tǒng)計(jì)用于測量的定時(shí)器自身的溢出事件，以保障即使被測信號(hào)脈寬長于測量定時(shí)器自身的溢出周期時(shí)也能有效測量。

這里選用STM32F411 Nucleo 開發(fā)板，集成開發(fā)環(huán)境選用了ARM MDK IDE。

一、實(shí)現(xiàn)思路及步驟

1.1、使用STM32F411Nucleo板的板載芯片內(nèi)的TIM3的通道1產(chǎn)生一個(gè)周期為5s，占空比為40%的PWM輸出信號(hào)，然后將該信號(hào)連線到TIM4的定時(shí)器輸入通道2，通過它對(duì)來自于TIM3的PWM輸出信號(hào)進(jìn)行脈寬及占空比的測量。?

?測量過程中，TIM4的通道2對(duì)外來信號(hào)的捕捉過程是這樣的，TIM4的通道2對(duì)外來信號(hào)的一個(gè)完整周期實(shí)現(xiàn) 3次捕捉。每次捕捉事件時(shí)計(jì)數(shù)器的值會(huì)被裝入CCR寄存器。

在初始狀態(tài)0基于上升沿發(fā)起第一次捕捉，記錄下第1次的捕捉值【Capture_1st】，并對(duì)TIM4定時(shí)器溢出事件計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)將捕獲極性切換為下沿捕捉。之后進(jìn)入狀態(tài)1，等待后續(xù)的下沿捕獲。當(dāng)發(fā)生下沿捕獲時(shí)，記下第2次的捕捉值【Capture_2nd】，并將前面這段時(shí)間的定時(shí)器溢出次數(shù)也記錄下來【Front_Num_OvEvent】，再次將極性切換為上沿捕捉，進(jìn)入狀態(tài)2，等待第3次捕獲。在狀態(tài)2的情況下，當(dāng)發(fā)生上沿捕獲時(shí)，記錄下第3次的捕捉值【Capture_3rd】，并將整個(gè)測試周期內(nèi)發(fā)生的定時(shí)器溢出次數(shù)記錄下來【Total_Num_OvEvent】，然后進(jìn)入狀態(tài)3進(jìn)行占空比【Signal_Duty】和脈寬【Signal_Cycle】的計(jì)算。完畢后回到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備下次的測量。

另外，在TIM4的更新中斷里對(duì)非初始狀態(tài)的溢出事件累加統(tǒng)計(jì)，放在變量【Num_OvEvent】里。

示例代碼里用到變量Measure_State來記錄和表示當(dāng)前測試狀態(tài)。

1.2 、測量用到的算式

根據(jù)上面的介紹，一次完整的測量下來，測得的周期和占空比可以用下面算式求得。

【下面算式貌似復(fù)雜，只需把上面測試原理和那幾個(gè)數(shù)據(jù)理清自然就會(huì)計(jì)算】

1.3 、基本配置準(zhǔn)備

1.3.1、實(shí)現(xiàn)TIM3 通道1【PA6】PWM輸出，計(jì)數(shù)周期5s,占空比40%，用做被測信號(hào)。

A、選擇定時(shí)器內(nèi)部時(shí)鐘作為時(shí)鐘源，STM32F411芯片定時(shí)器內(nèi)部時(shí)鐘為100Mhz；

B、設(shè)置分頻比，選擇計(jì)數(shù)模式、設(shè)置計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)；

對(duì)時(shí)鐘源20000分頻,PSC=20000-1;選擇向上計(jì)數(shù)模式up counting;

計(jì)數(shù)器基于分頻后的脈沖每計(jì)數(shù)設(shè)置為25000個(gè)后，發(fā)生溢出并產(chǎn)生更新事件及中斷。則：ARR=25000-1

按照上面參數(shù)來設(shè)計(jì)，定時(shí)器的定時(shí)周期或者說溢出周期就是5s.

C、它需做PWM輸出，這里選擇PWM 模式1，占空比為40%，

則CCR=（ARR 1）*0.40 =10,000

使用STM32CubeMx圖形化工具進(jìn)行配置：

1.3.2?、實(shí)現(xiàn)TIM4通道2的輸入捕獲，假定TIM4的溢出周期為20ms.

A、選擇定時(shí)器內(nèi)部時(shí)鐘為時(shí)鐘源，32F411定時(shí)器內(nèi)部時(shí)鐘為100Mhz；

B、設(shè)置分頻比，選擇計(jì)數(shù)模式、設(shè)置計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)；

先對(duì)時(shí)鐘源100分頻、即PSC=100-1;選擇向上計(jì)數(shù)模式up counting;

計(jì)數(shù)器基于分頻后的脈沖每計(jì)數(shù)20000個(gè)，發(fā)生溢出并產(chǎn)生更新事件及中斷。

則：ARR=20000-1

按照上面參數(shù)來設(shè)計(jì)，定時(shí)計(jì)數(shù)周期或者說溢出周期就是20ms.

另外，通道2配置為輸入捕捉，初始捕捉極性位選擇上升沿。

1.4 、工程代碼的生成、添加和整理

通過STM32CUBEMX依據(jù)上述參數(shù)完成配置，并開啟TIM4的中斷使能，然后生成工程。再在工程里添加應(yīng)用戶代碼。

? ? ? ? ? ? ? ?? ......

? ? ?Measure_State= 0x00;? ?//測試初始態(tài)

???? Num_OvEvent= 0x00;???//TIM4溢出次數(shù)初始值

部分處理代碼的簡要說明：

在TIM4通道2的捕獲中斷里做3次捕捉值的獲取以及計(jì)算，在TIM4更新中斷里對(duì)溢出事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

二、本次示例的結(jié)果驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中tim4的時(shí)基參數(shù)保持不變，可通過調(diào)整TIM3的PWM輸出的脈寬和占空比，來看看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。下面有一個(gè)視頻剪輯，就是上面工程驗(yàn)證結(jié)果的部分內(nèi)容，有興趣可以觀看。

上面簡單介紹了基于單通道的定時(shí)器捕獲實(shí)現(xiàn)對(duì)脈寬及占空比測量的過程，現(xiàn)在繼續(xù)介紹使用雙通道，基于定時(shí)器PWM輸入模式測量脈寬及占空比。同樣，在測量過程中也統(tǒng)計(jì)用于測量的定時(shí)器自身的溢出事件。所用開發(fā)板和開發(fā)環(huán)境跟上面一致。

? ? ? ? ? ? ? ? ?

三、實(shí)現(xiàn)原理、思路及步驟

3.1、同樣，利用板載芯片內(nèi)的TIM3的通道1產(chǎn)生一個(gè)周期為5s，占空比為40%的PWM輸出信號(hào)，然后將該信號(hào)連線到TIM4的定時(shí)器通道2【TI2】，作為其直接輸入。基于PWM輸入模式對(duì)來自于TIM3的PWM輸出信號(hào)進(jìn)行脈寬及占空比的測量。

這里先簡單介紹下PWM輸入模式工作原理。

*它是基于輸入捕獲與定時(shí)器從模式相結(jié)合的一個(gè)具體應(yīng)用。

*?同一外部輸入引腳【僅限于定時(shí)器的TI1/TI2】的輸入濾波信號(hào)【TIxFPx】映射到內(nèi)部2個(gè)捕捉通道【僅限于IC1/IC2】，且配置為相反的捕捉極性，即一個(gè)通道捕捉上沿，另一通道捕捉下沿。

*用于測量的定時(shí)器配置在復(fù)位從模式，外部輸入信號(hào)的濾波信號(hào)TIxFPx作為定時(shí)器的觸發(fā)信號(hào)，令定時(shí)器復(fù)位。

*經(jīng)過兩次連續(xù)的捕捉結(jié)合定時(shí)器的溢出事件統(tǒng)計(jì)可方便地測得信號(hào)的周期及占空比。

具體到這里，觸發(fā)信號(hào)來自待測信號(hào),即TIM3的PWM輸出，與TIM4的TI2相連，經(jīng)過邊沿檢測和濾波后的TI2FP2做為IC2的輸入信號(hào)的同時(shí)擔(dān)當(dāng)TIM4的觸發(fā)輸入信號(hào)，其觸發(fā)極性可以軟件配置,此處配置為上沿觸發(fā)。當(dāng)TIM4收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，定時(shí)器的計(jì)數(shù)器會(huì)被復(fù)位更新。當(dāng)計(jì)數(shù)器配置為UP計(jì)數(shù)模式時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)被清零并重新開始計(jì)數(shù)。

3.2、大致測量過程是這樣的：TIM4配置在復(fù)位從模式。待測信號(hào)從TI2輸入。

當(dāng)從通道2出現(xiàn)信號(hào)的上升沿時(shí)，TIM4計(jì)數(shù)器被復(fù)位清零，同時(shí)產(chǎn)生更新事件和觸發(fā)事件，相關(guān)標(biāo)志位會(huì)被硬件置1.

在初始狀態(tài)下，將定時(shí)器從模式觸發(fā)沿配置為上沿觸發(fā)，捕捉通道1配置下沿捕捉，捕捉通道2配置為上沿捕捉。初始狀態(tài)下，待測信號(hào)的上升沿使得TIM4的計(jì)數(shù)器被復(fù)位清零，并進(jìn)入測量狀態(tài)1，并開啟定時(shí)器的溢出事件實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，代碼里用到的變量是Num_OvEvent。當(dāng)發(fā)生通道1的下沿捕捉時(shí)，記錄下第1次的捕捉值【Vaule_1stCap】，并記錄下自復(fù)位以來到下沿捕捉這段事件的溢出次數(shù)，放在變量Front_Num_OvEvent里。然后進(jìn)入狀態(tài)2。在狀態(tài)2的情況下當(dāng)發(fā)生通道2的上沿捕獲時(shí)，記錄下第2次的捕捉值【Vaule_2ndCap】，并將整個(gè)測試周期內(nèi)定時(shí)器溢出次數(shù)記錄在【Total_Num_OvEvent】，然后進(jìn)入狀態(tài)3進(jìn)行占空比【Signal_Duty】和脈寬【Signal_Cycle】的計(jì)算。完畢后回到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備下次的測量。

另外，在TIM4的更新中斷里對(duì)非初始狀態(tài)的溢出事件累加統(tǒng)計(jì)，放在變量【Num_OvEvent】里。

示例代碼里用到一個(gè)變量Measure_State來記錄和表示當(dāng)前測試狀態(tài),大致流程如下。

整個(gè)測量過程中，我們使用觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的觸發(fā)事件作為每次開啟測量的起始。

3.3、測量用到的算式

根據(jù)上面的介紹，1次完整的測量下來，測得的周期和占空比可以用下面算式求得：

3.4、基本配置準(zhǔn)備

3.4.1 、實(shí)現(xiàn)TIM3 通道1的PWM輸出，計(jì)數(shù)周期5s,占空比40%，用做被測信號(hào)。

A、選擇定時(shí)器內(nèi)部時(shí)鐘作為時(shí)鐘源，STM32F411芯片定時(shí)器內(nèi)部時(shí)鐘為100Mhz；

B、設(shè)置分頻比，選擇計(jì)數(shù)模式、設(shè)置計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)；

對(duì)時(shí)鐘源20000分頻,PSC=20000-1;選擇向上計(jì)數(shù)模式up counting;

計(jì)數(shù)器基于分頻后的脈沖每計(jì)數(shù)25000個(gè)后，發(fā)生溢出并產(chǎn)生更新事件及中斷。則：ARR=25000-1

按照上面參數(shù)來設(shè)計(jì)，定時(shí)器的定時(shí)周期或者說溢出周期就是5s.

C、它需做PWM輸出，這里選擇PWM 模式1，占空比為40%，

則CCR=（ARR 1）*0.40 =10,000

CubeMx圖形化配置界面：

3.4.2、實(shí)現(xiàn)TIM4通道2做PWM模式輸入測量，假定tim4計(jì)數(shù)器溢出周期為20ms。

先做時(shí)基參數(shù)的配置：

1、選擇定時(shí)器內(nèi)部時(shí)鐘為時(shí)鐘源，32F411定時(shí)器內(nèi)部時(shí)鐘為100Mhz；

2、設(shè)置分頻比，選擇計(jì)數(shù)模式、設(shè)置計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)；

先對(duì)時(shí)鐘源100分頻、即PSC=100-1; 選擇向上計(jì)數(shù)模式up counting;

計(jì)數(shù)器基于分頻后的脈沖每計(jì)數(shù)20000個(gè)，發(fā)生溢出并產(chǎn)生更新事件及中斷。則：ARR=20000-1。注意：TIM4工作在復(fù)位從模式。

按照上面參數(shù)來設(shè)計(jì)，定時(shí)計(jì)數(shù)周期或者說溢出周期就是20ms.

再看看定時(shí)器TIM4的捕獲配置：

TIM4輸入捕捉通道2配置為直接輸入捕捉，捕捉極性選擇上升沿。

TIM4輸入捕捉通道1配置為間接輸入捕捉，捕捉極性選擇為下降沿。

3.5、工程代碼的生成、添加和整理

通過STM32CUBEMX依據(jù)上述參數(shù)完成配置，并開啟TIM4的中斷使能，然后生成工程。再在工程里添加應(yīng)用戶代碼?！局涣谐霾糠种苯佑嘘P(guān)的】

部分處理代碼簡要說明：

? 發(fā)生觸發(fā)事件時(shí)，進(jìn)入測量狀態(tài)：

在TIM4通道1發(fā)生下沿捕捉事件時(shí)，將前面時(shí)間段的溢出次數(shù)記錄下來并切換測量狀態(tài)。

在TIM4通道2發(fā)生上沿捕捉事件時(shí)，將整個(gè)測量周期發(fā)生的溢出次數(shù)記錄下來，并轉(zhuǎn)入計(jì)算處理狀態(tài)。

? ??

另外，在測量狀態(tài)下，基于TIM4的更新中斷對(duì)溢出次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

同樣，我們保持實(shí)驗(yàn)中tim4的時(shí)基參數(shù)保持不變，通過調(diào)整TIM3的PWM輸出波形的脈寬和占空比，來看看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

五、小結(jié)

上面介紹了兩種測量信號(hào)脈寬及占空比的方案，都用了捕獲中斷和更新中斷。其中，在第2種方案中用觸發(fā)事件作為每次測量的起始，這算是個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。順便說下，我們在利用定時(shí)器測量脈寬涉及到更新事件次數(shù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，比較容易出現(xiàn)多統(tǒng)計(jì)一次的問題。因?yàn)槎〞r(shí)器初始化完成后會(huì)軟件產(chǎn)生一次更新事件，所以建議在啟動(dòng)定時(shí)器更新中斷前對(duì)該標(biāo)志位做個(gè)清零操作。不過，在我上面兩個(gè)方案的示例代碼的初始化階段，這個(gè)操作倒是可有可無，因?yàn)槲业拇a里對(duì)更新事件計(jì)數(shù)還要結(jié)合狀態(tài)機(jī)，并非一有更新中斷就累加。

上面提到的實(shí)現(xiàn)思路及代碼僅供參考，旨在拋磚引玉。當(dāng)你對(duì)原理把握得越清晰時(shí)，應(yīng)用就越靈活。最后，就上面提到的兩種測量方案基于個(gè)人的理解做個(gè)簡單比較。

【注：2個(gè)通道并不意味著需要2個(gè)物理管腳，其實(shí)1個(gè)腳就夠了。另外基于定時(shí)器捕獲功能配合DMA，解碼方面也能有很好的發(fā)揮。】

?下方的小視頻，是基于單通道模式測量信號(hào)占空比的驗(yàn)證部分的視頻剪輯，有興趣可以打開看下。

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