用单片机制作简单的频率计

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摘要：

利用定时器产生PWM波。然后利用32的外部中断和定时器来测量32输出的波形 硬件：STM32F103C8T6核心板、示波器、串口调试助手 所用到的的引脚为PA8和PA0。

测量方案：

在第一次外部中断(上升沿触发)到之时，开启定时器，同时计数器清零。然后等待第二次中断到来，在第二次外部中断(上升沿触发)到之时，获取计数器的计数值，同时关闭计数器。因为知道了计数器计数一个数的时间，所以在第二次外部中断(上升沿触发)到之时，获取计数器的计数值，通过这个值就知道一个脉冲的时间周期。时间周期的倒数就是外部信号的频率。

一、利用TIM1的CH1产生PWM波

pwm.c

#include "pwm.h"void TIM1_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA , ENABLE);  //使能GPIO外设时钟使能                                                                       //设置该引脚为复用输出功能,输出TIM1 CH1的PWM脉冲波形GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; //TIM_CH1GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //输出PWM的频率为200 000/100=2 000 HZ=2K 实际示波器测量 2.00055K TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //驱动(单片机提供给)计数器的时钟是72 000 000/36 0=200kHZTIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_timTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式2TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 3600; //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值 这个值要为arr：自动重装值的一半，占空比才为50%TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);  //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMxTIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE); //MOE 主输出使能 TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);  //CH1预装载使能 TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器 TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);  //使能TIM1   
}

pwm.h

#ifndef __PWM_H
#define __PWM_H
#include "sys.h"void TIM1_PWM_Init(u16 arr,u16 psc);#endif

main.c

#include "delay.h"
#include "sys.h" 
#include "pwm.h"
int main(void)
{ delay_init(); //延时函数初始化  //10k  7199//20k  3599//8k   8999TIM1_PWM_Init(7199,0);  //不分频，输出PWM频率=72000K/(7199+1)=10Khzwhile(1){}
}

定时器1的通道1对应的是PA8引脚，连接示波器可以测出波形

二、将PA8与PA0相连接

这里利用PA8输出的PWM波形让PA0外部中断引脚测量。

三、外部中断和定时器测量频率

在配置定时器时最重要的就是配置定时器的预分频系数和重装载值。定时器的本质就是一个计数器，计数到我们设定的值后就会溢出，也就是重新从0开始开始计数。设置预分频系数就是设置计数器的频率，假设为71，F1的系统时钟为72M，经过72分频，给计数器的时钟频率就是1M,周期就是1/1M=1us。也是就1us计一个数。那么计几个数呢？这就要看重装载值ARR，这里我们设置为0XFFFF，也就是计数65536个数，就是计满整个寄存器的值。为什么要分频系数为72，重装载值为0XFFFF？这里给出详细的分析过程。

1 为什么要分频系数为72

F1的系统时钟为72M，F1的系统时钟为72M，如果不分频的话，提供给定时器的时钟就直接是72MHZ。72MHz是个什么概念？72MHz它对应的周期就是(1/72000000)秒，也就是计数器从0计数到最大值65535，只需要花费(65535/72000000)秒≈1ms。这句话的意思就是如果你不分频，计数器最大只能定时1ms。那么你的定时器每隔1ms就会溢出一次。如果经过72分频，给计数器的时钟频率就是1M,周期就是1/1M=1us，也是就1us计一个数。换句话就是可以采样的波形频率为1M，提高了采样频率。另一方面也是容易计算，计一个数1us，计count个数就是count个us，频率就是1000000/count(HZ)。

2 为什么要重装载值为0XFFFF

最大采样间隔是跟定时器的中断间隔相关的，定时器产生溢出中断后计数值CNT会自动清0，定时器的中断间隔由分频系数Prescaler和自动重装载寄存器Period决定，分频系数前面已经确定，那最大采样间隔只需要考虑自动重装载寄存器Period的设置，比如频分析系数71，自动重装寄存器值65535，则中断间隔=65536/72000000/72=65.536ms，即最大采样间隔65.536ms，如果65.536ms内没有检测到一个脉冲，则这么设定间隔是不合理的，必须想办法牺牲最小的采样时间1us(扩大分频系数)或者扩大自动重装寄存器值(16位<65535)来增加定时器中断间隔，也可以编写自己的应用函数来计算溢出的定时时间。

一般来说我们使用外部中断是不需要用到定时器的，看原子和野火的外部中断实验也没有用到外部中断。但是现在不是利用外部中断简单的处理一件事，而是利用外部中断测量频率，而测频率就涉及到时间，而只要涉及到时间，就需要用到定时器了。测量外部信号的频率，就是测量PWM波对吧！如果我们测量到一个周期的时间，那么不就知道了信号的频率了吗？

测量方案：在第一次外部中断(上升沿触发)到之时，开启定时器，同时计数器清零。然后等待第二次中断到来，在第二次外部中断(上升沿触发)到之时，获取计数器的计数值，关闭计数器。因为我们知道了计数器计数一个数的时间，所以我们到在第二次外部中断(上升沿触发)到之时，获取计数器的计数值，通过这个值就知道一个脉冲的时间周期。时间周期的倒数就是外部信号的频率。

具体代码如下：

void EXTI0_IRQHandler(void)
{if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0)!= RESET){EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);//清除EXTI0线路挂起位 if(CaptureNumber == 0)//第1次上升沿触发{TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);//使能定时器2TIM_SetCounter(TIM2,0); //清零计数器的值，因为一开始就开始计数了CaptureNumber++;}else if(CaptureNumber==1)//第2次上升沿触发{   TimeCntValue = TIM_GetCounter(TIM2);Capture = TimeCntValue;CaptureNumber = 0; TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);//使能定时器2    }} 
}
int main(void)
{ float x;NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);delay_init();uart_init(115200);TIM2_Init();TIM1_PWM_Init(7199,0);  //不分频,输出PWM频率=72000K/(7199+1)=10KhzEXTIA0_Init();while(1){printf("Fre=%.2f kHz\r\n",1000000/Capture);delay_ms(1000); }
}

当然你可能觉得这只是测量信号的一个周期脉冲不够准确，那么也可以测量100次脉冲的时间再除以100，就是一个脉冲的时间，然后再取倒数就可以算出频率，这种方法也是可以的。具体代码如下：

void EXTI0_IRQHandler(void)
{if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0)!= RESET){EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);//清除EXTI0线路挂起位 if(CaptureNumber == 0)//第1次上升沿触发{TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);//使能定时器2TIM_SetCounter(TIM2,0); //清零计数器的值，因为一开始就开始计数了CaptureNumber++;}else if(CaptureNumber>0&& CaptureNumber<100){ TimeCntValue0 = TIM_GetCounter(TIM2);   CaptureNumber++;}else if(CaptureNumber==100)//第100次上升沿触发{   TimeCntValue = TIM_GetCounter(TIM2);Capture = TimeCntValue/100;CaptureNumber = 0; TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);//使能定时器2    }} 
}int main(void)
{ float x;NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);delay_init(); uart_init(115200);   TIM2_Init();TIM1_PWM_Init(7199,0);  //不分频,输出PWM频率=72000K/(7199+1)=10KhzEXTIA0_Init();while(1){printf("Fre=%.2f kHz\r\n",1000000/Capture);delay_ms(1000); }
}

程序流程图

串口打印结果

当然测量信号频率的方法可以直接利用TIM的输入捕获的方法就可以实现。用外部中断只是另一种测量方案，具体用哪一种还要看具体情况。

后台回复：Freqtest，获取测频率代码。

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