STM32 定时器 输入捕获

用于测频率测占空比

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(上升沿/下降沿)时,会让当前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
  • 每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输入捕获通道,基本定时器没有输入捕获功能
  • 可配置为PWMI模式,同时测量频率和占空比
    • PWMI是PWM输入模式,专门为测量PWM频率和占空比设计的
  • 可配合主从触发模式,实现硬件全自动测量

如上图,左下角的三个输入连接在一个异或门,当3个输入引脚有任何一个有电平翻转时,输出引脚就产生一次电平反转,输出通过数据选择器,到达输入捕获通道1,数据选择器可以选择上面或者下面一个(不通过异或门),设计这个异或门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子位置,可以根据转子的位置进行换相,有了这个异或门,3个通道就可以连接上无刷电机的霍尔传感器。

输入滤波、边沿检测(可以选择高电平触发、低电平触发,当出现指定的电压时,边沿检测电路就会触发后续电路执行动作)

有两套输入滤波、边沿检测电路,通道一可以输出TI1FP1和TI1FP2(去了IC2),通道二也可以输出TI2FP1(去了IC1)和TI2FP2。可以灵活切换输入,可以把一个引脚的输入映射到两个捕获单元,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,捕获占空比,两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。

通道3、4也是一样,可以选择各自独立连接或者进行交叉。

TRC信号,在图上部分连接

预分频器:对输入的信号分频,分频后的信号触发捕获电路进行工作

每来一个触发信号,CNT的值就会向CCR转运一次,转运的同时发生一个捕获事件,该事件会在状态寄存器置标志位,同时也可以产生中断,CCR捕获到的置就是公式里的N

CNT清零可以使用主从触发模式来自动完成。

CCMR1寄存器里的ICF位可以控制滤波器的参数

滤波器工作原理在CCMR1寄存器一节

边沿检测器捕获上升沿或者下降沿

用CCER寄存器里的CC1P位,可以选择极性

最终得到TI1FP1触发信号,通过数据选择器

应当还有一条一样的电路,得到TI1FP2的触发信号,连通到通道2(IC2)

CC1S位可以对数据选择器进行选择

ICPS位可以配置分频器。选择不、2、4、8分频

CC1E位控制输出使能或失能

为方便下一次计数,将CNT里的值捕获到CCR里面后,清零CNT,方便下一次捕获

如何自动清零CNT

TI1FP1信号和TI1的边沿信号都可以通向从模式控制器,从模式里面有电路可以自动完成CNT清零

频率测量

上图是一个频率逐渐降低的方波波形,左边频率最高,右边最低,只有高低电平的数字信号,STM32只能测量数字信号,如果要测量正弦波,那则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)将正弦波转换为数字信号,再输入给STM32即可。如果测量的电压信号非常高,还要考虑隔离问题,比如隔离放大器,电压互感等元件,隔离高压端和低压端,保证电路安全。

频率测量方法

测周法:用已知的标准频率fc的计次时钟来驱动计数器,计算连续的两个上升沿之间的间隔时间,从一个上升沿开始计,计数器从0开始一直计到下一个上升沿,停止,计一个数的时间是1/fc,计N个数,时间是N/fc,N/fc是周期,fc/N则为周期。

  • 测频法适合测量高频信号,测量结果更新慢,数值相对稳定
  • 测周法适合测量低频信号,测量结果更新快,数值跳变快波动大
  • 存在正负1误差
    • 测频法,在闸门时间内,可能有的周期信号不完整,比如在最后的时间,周期才出现一半,闸门时间就到了
    • 测周法,在最后时刻,一个数计到一半,周期就结束了
    • 要减小误差,就要增大N的值

结合两个公式将N消掉,得到两个方法误差相同时的频率

中界频率:当待测信号小于中界频率时,测周法误差更小,当待测信号大于中界频率时,测频法误差更小。

总结输入捕获基本结构

这个结构只使用了1个通道,只能测频率

注意:只有通道CH1、CH2可以使用从模式自动清零CNT,通道CH3、CH4只能开启捕获中断来手动清零,比较消耗软件资源。

 PWMI基本结构

PWMI模式,使用了两个通道捕获一个引脚,可以同时测量周期占空比

TI1FP1配置为上升沿触发,触发CCR1捕获CNT值(测量周期)和清零CNT。

TI1FP2配置为下降沿触发,触发CCR2捕获CNT值。可以测量到高电平持续的时间,计算占空比。

测频法代码实现

使用计数器,每来一个上升沿,计次加1,再用定时器,定一个1s的定时中断,在中断里,每隔1s取计数器的值,同时清零计次,为下一次做准备。

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