STM32学习笔记（6_5）- TIM定时器的输出捕获原理

无人问津也好，技不如人也罢，都应静下心来，去做该做的事。

最近在学STM32，所以也开贴记录一下主要内容，省的过目即忘。视频教程为江科大（改名江协科技），网站jiangxiekeji.com

现在开始上难度，STM32功能最强大、结构最复杂的外设——定时器，分四期介绍。

第一期介绍最基础的定时功能理论、定时器中断和定时器内外时钟源选择的代码。

第二期介绍定时器输出比较功能的代码，输出比较功能常用产生PWM波驱动电机。

本期介绍定时器输入捕获功能原理，常用测量方波频率。

最后介绍定时器的编码器接口，更方便读取正交编码器的输出波形，常用编码电机测速。

输入捕获简介

对于同一个定时器，输入捕获和输出比较，只能使用其中一个，不能同时使用，因为同一个通道的捕获/比较寄存器是公用的。

频率测量

下图是一个频率逐渐降低的方波波形，这里信号都是只有高电平的数字信号。对于STM32测频率而言，它也是只能测量数字信号的。如果你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一个比较器，把正弦波转换为数字信号，再输入给STM32就行了。

测量频率有两种方法：

图中的中界频率是为了减小误差，待测信号频率小于中界频率时，取测周法。

第一种是测频法（适合测高频），执行流程是，通常设闸门时间T=1s，从0开始计，每来一个上升沿，计次+1，所以在1s时间内，来了多少个周期，那它的频率就是多少Hz。

测频法代码思路：我们之前写过，对射式红外传感器计次、定时器外部时钟，这些代码，稍加改进，就是测频法。比如对射式红外传感器计次，每来一个上升沿计次+1，那我们再用一个定时器，定一个1s的定时中断，在中断里，每隔1s取一下计次值，同时清计次，为下一次做准备。这样每次读取的计次值就直接是频率。对应定时器外部时钟的代码，同理。

第二种是测周法（适合测低频），我们捕获信号的两个上升沿，然后测量一下这之间持续的时间，再对时间取倒数就是频率。我们使用一个已知的标准频率fc的计次时钟。来驱动计数器，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，时间就是N/fc。N/fc就是周期，再取个倒数，就得到了公式 fx=fc/N。

我们本期输入捕获测频率，使用的方法是测周法

输入捕获通道

引脚进来，这里有一个三输入的异或门，这个异或门的输入接在了通道1、2、3端口。异或门的执行逻辑是当三个输入脚的任何一个有电平翻转时，输出脚就产生一次电平翻转。之后输出通过数据选择器，到达输入捕获通道1。数据选择器如果选择上面一个，那输入捕获通道的输入，就是3个引脚的异或值；如果选择下面一个，那异或门就没有用，4个通道各用各的引脚。设计这个异或门，其实还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的位置，可以根据转子的位置进行换相。有了这个异或门，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，去驱动换相电路工作，了解下就好。

然后继续看，输入信号来到了输入滤波器和边沿检测器，输入滤波器可以对信号进行滤波，避免些高频的毛刺信号误触发，然后边沿检测器，这就和外部中断那里是一样的了，可以选择高电平触发，或者低电平触发，当出现指定的电平时，边沿检测电路就会触发后续电路执行动作。另外这里，它其实是设计了两套滤波和边沿检测电路。第一套电路，经过滤波和极性选择，得到TI1FP1(TI1 Filter Polarity 1)，输入给通道1的后续电路；第二套电路，经过另一个滤波和极性选择，得到TI1FP2(TI1 Filter Polarity 2)，输入给下面通道2的后续电路。同理，下面TI2信号进来，也经过两套滤波和极性选择，得到TI2FP1和TI2FP2，其中TI2FP1输入给上面，TI2FP2输入给下面。在这里，两个信号进来，可以选择各走各的，也可选择进行一个交叉，让CH2引脚输入给通道1，或者CH1引脚输入给通道2，那这里为什么要进行一个交叉连接呢？这样做的目的，主要有两个。第一个目的，可以灵活切换后续捕获电路的输入，比如你一会儿想以CH1作为输入，一会儿想以CH2作为输入，这样就可以通过这个数据选择器，灵活地进行选择。第二个目的，就是可以把一个引脚的输入，同时映射到两个捕获单元，这也是PWMI模式的经典结构。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，用来捕获占空比，两个通道同时对一个引脚进行捕获，就可以同时量频率和占空比，这就是PWMI模式。下面通道3和通道4也是同理。

输入信号进行滤波和极性选择后，就来到了预分频器，可以选择对前面的信号进行分频，分频后的信号就可以触发捕获电路进行工作了，每来一个触发信号，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，这个事件会在状态寄存器置标志位，同时也可以产生中断。如果需要在捕获的瞬间，处理一些事情的话，就可以开启这个捕获中断，这就是整个电路的工作流程。

比如我们可以配置上升沿触发捕获，每来一个上升沿，CNT转运到CCR一次，又因为这个CNT计数器是由内部的标准时钟驱动的，所以CNT的数值，其实就可以用来记录两个上升沿之间的时间间隔，这个时间间隔，就是周期。再取个倒数，就是测周法测量的频率了。另外这里还有个细节问题，就是每次捕获之后，我们都要把CNT清0一下。这样下次上升沿再捕获的时候，取出的CNT才是两个上升沿的时间间隔。

输入捕获通道细化框图

简单理解，这个滤波器工作原理就是以采样频率对输入信号进行采样，当连续N个值都为高电平时，输出才为高电平；连续N个值都为低电平时，输出才为低电平；如果你信号出现高频钭动，导致连续采样N个值不全都一样，那输出就不会变化，这样就可达到滤波的效果。采样频率越低，采样个数N越大，滤波效果就越好

主从触发模式

其中主模式可以将定时器内部的信号，映射到TRGO脚，用于触发其他外设。

从模式呢，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信号源的，看成从模式的一部分。触发源选择，选择指定的一个信号，得到TRGI，TRGI去触发从模式，从模式可以在这个列表里，选择一项操作来自动执行

如果我们想让TI1FP1信号自动触发CNT清零，那触发源选择，就可以选中这里的TI1FP1，从模式执行的操作，就可以选择执行Reset的操作。这样TI1FP1的信号就可以自动触发从模式，从模式自动清零CNT，实现硬件全自动测量。

输入捕获基本结构

下图这个结构只使用一个通道，所以只能测量频率。在右上角这里，是时基单元，我们把时基单元配置好，启动定时器。那这个CNT，就会在预分频之后的这个时钟驱动下，不断自增，这个CNT，就是我们测周法用来计数计时的东西。经过预分频之后的时钟频率，就是驱动CNT的标准频率fc，

这里不难看出，标准频率=72M/预分频系数，然后下面输入捕获通道1的GPIO口，输入一个左上角这样的方波信号，经过滤波器和边沿检测，选择TI1FP1为上升沿触发，之后输入选择直连的通道，分频器选择不分频，当TI1FP1出现上升沿之后，CNT的当前计数值转运到CCR1里，同时触发源选择，选中TI1FP1为触发信号，从模式选择复位操作，这样TI1FP1的上升沿，也会通过上面这一路，去触发CNT清零。当然这里会有个先后顺序，肯定得是先转运CNT的值到CCR里去，再触发从模式给CNT清零。

所以，当我们想要读取信号的频率时，只需要读取CCR1得到N，再计算fc/N，就行了；当不需要读取时，整个电路全自动的测量，不需要占用任何软件资源。

注意事项：CNT的值是有上限的，ARR一般设置为最大65535，那CNT最大也只能计65535个数，如果信号频率太低，CNT计数值可能会溢出；另外还有就是，这个从模式的触发源选择，如果想使用从模式自动清零CNT，就只能用通道1和通道2。对于通道3和通道4，就只能开启捕获中断，在中断里手动清零了，不过这样程序就会频繁中断。

PWMI基本结构

这个PWMI模式，使用了两个通道同时捕获一个引脚，可以同时测量周期和占空比。

图中的上部分结构和上面的输入捕获基本结构一样，下面多了一个通道。

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

留意左上角，最开始上升沿，CCR捕获，同时清零CNT，之后CNT++。然后，在下降沿这个时刻，触发CCR2捕获，所以这时CCR2的值，就是CNT从上升沿到下降沿的计数值即高电平期间的计数值。CCR2捕获，并不触发CNT清零，所以CNT继续++，直到下一次上升沿，CCR1捕获周期，CNT清零，这样执行后，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，是不是就是占空比了