重温STM32基础：定时器（9）- 输入捕获电路和测频方法-育师

文章目录

输入捕获简介
- 通用定时器电路概览：输入捕获电路在哪儿？
- 定义
- STM32F103输入捕获资源分布
- 可配置模式
频率测量
- 频率测量方法
- - 测频法
  - 测周法
  - 两种方法比较
  - 中介频率
- 代码实现preview
输入捕获具体电路分析
预告

摘要：本文围绕 STM32 定时器的输入捕获功能展开，先说明输入捕获电路在定时器中的位置、基本定义与 STM32F103 的资源分布，再系统梳理频率测量的两种方法——测频法与测周法，比较二者在精度、更新速度与抗噪性上的差异，并推导出用于选择方法的中介频率 fm。最后结合数据选择器、TIxFPy 信号命名与捕获比较通道电路，分析输入捕获的具体工作过程，并引出主从触发模式这一后续话题。

输入捕获简介

通用定时器电路概览：输入捕获电路在哪儿？

下面是STM32F103C8T6的通用定时器TIM2~TIM5定时器的电路图。4个输入捕获和输出比较通道共用了4个CCR 寄存器（下图中红框和绿框中间重叠），而且它们的通道都是共用的。

对于“通道共用”，开始我还有点疑惑：从图上看，输入捕获应该用的是左边的 TIMx_CH1 ~ 4，而输出比较用的是右边的TIMx_CH1~4啊，为什么说是“共用”？
上图中左右两边的 CH1指的是同一个物理引脚，CH2~4也是如此。这个引脚既可以当输出比较的输出，也可以当输入捕获的输入引脚。
课程中老师说“对于同一个定时器，输入捕获和输出比较中只能有一个功能工作”。这句话似乎不太准确。一个定时器的不同通道应该是可以配置成不一样的功能的，只要时基单元兼顾两者（因为所有通道的时间基准和ARR是一样的）。当然对于一同一个定时器的一个通道，同一时刻当然只能用作一个功能。

定义

（来自PPT）输入捕获模式下,当通道输入引脚出现指定电平跳变时,当前CNT的值将被锁存到CCR中,可用于测量PWM波形的频率（脉冲间隔）、占空比（电平持续时间）等参数输入捕获检测的是跳变，有点类似“中断检测”。

但是中断检测到之后是通知NVIC（向CPU申请中断）
这里是控制后面的电路：把当前CNT的值锁存到CCR寄存器中

STM32F103输入捕获资源分布

基本定时器没有输入捕获功能
通用和高级定时器的通道都具备捕获功能

可配置模式

（来自PPT）可配置为PWMI模式,同时测量频率和占空比；可配合主从触发模式,实现硬件全自动测量
这两个模式配合，软件不需要任何干预，硬件全自动执行；也不需要进中断，极大减轻软件压力

频率测量

这里测量的都是数字信号。如果要测量模拟信号，则需要先处理一下，把它变成数字信号，才能给STM32来比较。处理的方法就是用一个电压比较器：我们给电压比较器设置一个参考电压refV，

当输入电压大于这个refV时，比较器输出1
当输入电压低于这个refV时，比较器输出0

这样模拟信号就“数字化”了。
当然还要考虑输入电压的大小，要在STM32可接受的安全电压范围内。

频率测量方法

测频法

在闸门时间T内，对上升沿/下降沿进行计次，得到N，则频率为 N/T
闸门时间一般设置为1s（符合“频率”的定义：1s内有多少个周期），T=1，这样的话频率就是N；但也可以设置为2s或者0.5s等

测周法

也就是“测量周期的方法得到频率”：两个上升沿/下降沿（一个周期）内，以标准频率fc（一个频率为fc的定时器）计次，也就是每1/fc秒为1次，得到N次。则两个上升沿的时间为N/fc，也就是一个周期是N/fc，则频率就是fc/N。

两种方法比较

（下面描述都以上升沿为例；也可以是下降沿）
什么时候用哪个方法？取决于这两种方法在什么条件下能够更加可靠。上面的两个方法中，N都可能出现正负1的误差。

测频法中，T内并不是每个周期信号都是完整的。T的结束可能是在两个上升沿之间（如上图红线）
测周法中，待测信号的结束上升沿在计次器的两个计次之间（如上图右侧绿线）

正负1的误差是这两种方法固有的误差。所以，我们希望它们的公式里的N比较大，减小这种这种误差的影响。

测频法
- 测频法适合测高频信号：希望在闸门时间T内能够捕获多个上升沿，数量越多，频率估计越准确（“极端例子”：如果在闸门时间内一个上升沿都没有，难道我们认为频率是0么？大部分情况不是，所以希望被测信号频率尽可能的高，让T时间内有更多的上升沿捕获）
- 每个闸门时间T才会更新一次频率，更新速度比较慢，结果值变化比较平滑。
- 而且这个方法自带一个“均值滤波”，得到的频率是一个T内的平均频率。
测周法
- 测周法适合测低频信号：我们希望fc定时器（计数器）能够有更多的计次，那就最好是两个上升沿之间时间长一些（也就是周期长一些），所以希望被测信号是一个低频信号（“极端例子：fc为1000Hz，待测信号为500Hz，那么两个上升沿之间只能计1~2个数；如果待测信号为1000Hz，可能一个数都计不到。根据公式N=0，fc/O，频率无穷大显然是不对的）
- 只测一个周期就可以出一次结果，所以测量周期取决于待测频率。
- 每个待测信号周期就会更新，结果波动会比较大，容易受噪声的影响。

中介频率

上面说了两种方法的区别：高频用测频法，低频用测周法。那多高算高，多低算低？看起来有个“门槛”，在这个门槛两边，两种方法的精度优势会反转，决定用哪个方法的频率门槛怎么算？
前面提到了N在两个方法中对最终结果误差的影响。可以认为N就是“误差”的一个衡量。我们可以让两个方法的“误差相等”，看看这个时候的结果频率是多少，那么这个结果频率点就可以认为是这个门槛。
把上面公式中的N提取
测频法
N = T × f x N = T \times f_xN=T×fx
测周法
N = f c f x N = \frac{f_c}{f_x}N=fxfc
相等
T × f x = f c f x T \times f_x = \frac{f_c}{f_x}T×fx=fxfc
设此时的fx为fm，这就是两个方法误差相等的点
f m = f c T f_m = \sqrt{\frac{f_c}{T}}fm=Tfc

当待测频率> fm，选择测频法
当待测频率< fm，选择测周法

代码实现preview

对于两种方法的代码实现：

测频法：可以用外部中断+定时器，计算外部中断在一段时间内的次数来实现。之前写过类似的代码。
测周法：会用到输入捕获。后面会具体写这个方法的代码

输入捕获具体电路分析

数据选择器（上图左边橙色）：如果选择上面的XOR输出，则CH1~3任何一个由电平翻转，XOR输出就是电平翻转（用于三相电机）。如果选择器选择下面的，则XOR就类似没有用，CH1 ~ 3各种输出到各自的输入滤波和边沿检测
TRC也是为了三相电机的应用

老师在课程中提到：一个“input filter & edge detector”是有两套输入滤波和边沿检测，分别产生TI1FP1和TI1FP2。问了一下AI，以及根据后面设置的理解，TI1FP1和TI2FP2应该用的是一套滤波器，但是在边沿捕获/极性选择中可以设置不同的极性。
先解释一下名字：TIxFPy

TI: timer input
FP: filtered and polarity-selected
x：输入通道
y：准备送向的通道

所以名字的解释是：由通道x捕获到并经过滤波和极性选择的、送向通道y的信号

观察上图的输入的通道可以发现

一个通道的信号通过滤波和边沿检测模块，应该可以得到极性不同的两个信号，这两个信号可以分别进入不同通道的prescalar+CCR（如红色箭头）比如TI1FP1和TI1FP2。这主要目的是一个prescalar+CCR通道算周期，另一个算占空比。
一个通道的prescalar+CCR可以接收来自两个通道的信号（如紫色箭头），比如TI1FP1和TI2FP1。但是这里并不是同时送到被一个prescalar+CCR同时使用，只是多给一个选择：通道1的prescalr+CCR可以选择接收CH1的输入，也可以另外选择CH2的输入。这样可以带来一些灵活性。

当一个输入通道的上升沿被捕获之后会进入prescalar。分频之后的触发信号就可以触发捕获电路工作了：每来一个信号，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。如果我们需要在捕获的时候做一些什么事情，可以开启这个中断，在相应中断回调函数里面做。

下图是RM中“捕获比较通道”的示意图，里面也注明了哪些寄存器控制哪些模块。

测周法的做法：输入信号的两个上升沿都会触发CNT向CCR转运一次，两次之间的差值就是N。而CNT的频率是我们设置的，频率已知，就可以根据公式估计输入信号的频率。
刚才说到“用两次CNT的差值来算N”，但其实还有更简单的做法：每次捕获之后清零CNT。做法就是用主从触发模式。