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TIM输入捕获

目录

一、输入捕获与输出比较

1、输入捕获简介

2、输出比较简介

3、输出比较与输入捕获的区别

二、频率测量

三、输入捕获各电路

四、主从触发模式

五、输入捕获基本结构

六、PWMI基本结构

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一、输入捕获与输出比较

1、输入捕获简介

• IC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时，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、脉冲问题、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
• 可配合主从模式，实现硬件全自动测量

电平跳变是指上升沿或者下降沿，可以通过程序配置。发生电平跳变的瞬间，输入捕获电路会让当前CNT的值锁存在CCR中，锁存CCR中的意思就是把当前CNT的值读出来，写入到CCR中。

四个边沿信号输入引脚（TIM_CHx），一旦有边沿，比如上升沿，那这一块输入滤波和边沿检测电路就会检测到这个上升沿，让输入捕获电路产生动作，所以这一块的作用和外部中断差不多，都是检测电平跳变，然后执行动作。不过外部中断执行的动作是向CPU申请中断，而这里电路执行的动作就是，控制后续电路，让当前CNT的值，锁存到CCR寄存器中。

 图1-1输入捕获电路与输出比较部分

4个输入捕获和输出比较通道，公用4个CCR寄存器，另外他们的CH1到CH4，4个通道，也是共用的，所以对于同一个定时器，输入捕获和输出比较，只能使用其中一个，不能同时使用。

2、输出比较简介

• OC输出比较
• 输出比较可以通过比较CNT与CCR寄存器值的关系，来对输出电平进行置1、置0或翻转的操作，用于输出一定频率和占空比的PWM波形
• 每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输出比较通道
• 高级定时器的前3个通道额外拥有死区生成和互补输出功能

3、输出比较与输入捕获的区别

输出比较，引脚是输出端口；输入捕获，引脚是输入端口。

输出比较，是根据CNT 和CCR的大小关系来执行输出动作；输入捕获，是接收到输入信号，执行CNT锁存到CCR的动作。

通用定时器和高级定时器有4个输入捕获通道，都是一样的，没有区别，基本定时器没有输入捕获的功能。

PWMI模式就是PWM的输入模式，是专门为测量PWM频率和占空比设计的。

二、频率测量

 图2-1频率测量

在图2-1中，越往左，频率越高，越往右，频率越低。这里信号都是只有高低电平的数字信号，对于STM32测频率而言，它只能测量数字信号的；如果需要测量一个正弦波，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。如果测量的信号电压非常高，还要考虑一下隔离的问题，比如用一些隔离放大器、电压互感器等元件，隔离高压端和低压端，保证电路的安全。

总之，经过处理最终输入给STN32的信号需要上图的高低电平数字信号，高电平3.3v，低电平0v。

测量频率方法：

1、测频法：由图2-2左边为例，比如我们要测量这块信号的频率，可以自定一个闸门时间T，通常设置为1s，在1s时间内，对信号上升沿计次，从0开始计次，每来一个上升沿，计次＋1，等于多一个周期信号。在1s内来个多少个周期，频率就是多少Hz。

2、测周法：基本原理就是，周期的倒数就是频率。如果能测出一个周期的时间，再取个倒数，就是频率

捕获信号的两个上升沿，测量两个上升沿之间持续的时间。但是实际上，我们并没有一个精度无穷大的秒表来测量时间。测量时间的方法，实际上也是定时器计次，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，就得到公式，fx=fc/N。

测频法与测周法的区别：测频法适合测量高频信号，测周法适合测量低频信号。

测频法，在闸门时间内，最好要多出现一些上升沿，计次数量多，有助于减小误差。（假设定了1s的闸门时间，结果信号频率非常低，1s时间没有几个上升沿，甚至一个上升沿都没有，总不能认为频率是0吧。）在计次N很少时，误差会非常大，所以测频法要求，需要频率要稍微高一些。

对于测周法就要求信号频率低一些，低频信号，周期比较长，周期比较长，计次就会比较多，有助于减小误差。否则的话，比如标准频率fc为1MHz，待测信号频率太高（比如待测信号500KHz，那在一个周期内只能计一两个数，如果待测信号在高一些，甚至一个数也计不到，那总不能认为频率无穷大吧）。

所以测周法需要待测信号频率低一些。测频法测量结果更新的慢一些，数值相对稳定；测周法更新的快，数据跳变也非常快。

测频法测量的时闸门时间内的多个周期，自带一个均值滤波，如果在闸门时间内波形频率有变化，那得到的其实是这一段时间的平均频率，时间为1s，每隔1s才能得到一次结果。所以测频法更新慢，测量结果是一段时间的平均值，值比较平滑。

测周法测量一个周期，就能出一个结果，出结果的速度取决于待测信号的频率，一般待测信号都是几百几千Hz。所以测周法结果更新更快，但是由于只测一个周期，所以结果值会受噪声的影响，波动比较大。

中界频率：在测频法和测周法中，计次可能存在正负1误差，比如测频法，在闸门内，并不是每一个周期信号都是完整的，比如在最后时间里，可能会有一个周期刚出现一半，闸门时间就到了，那这只有半个周期，只能舍弃掉或者当作一整个周期来看，因为计次只有整数，不可能计次0.5个数。那么在这个过程，就会出现多计一个，或者少计一个的情况，这就是正负1误差。在测周法中也有，标准频率fc计次，在最后时刻，有可能一个数刚到一半，计时就结束了，那这半个数也只能舍弃或者按一整个数来算了，这里也会出现正负1误差，所以这两个测量法都会存在正负1误差，想要减小正负1误差的影响，就只能尽量多计一些数，当计次N比较大时，正负1对N的影响就会很小。

总结：N越大，正负1误差的影响越小，那当有一个频率，测频法和测周法计次的N相同，那说明误差相同，这就是中界频率。

公式由来：把测频法公式中的N提出来，测周法公式中的N也提出来，令两个方法的N相等，把fx解出来，就得到中界频率fm。

对应图上，当待测信号频率小于中界频率时，测周法误差更小，选用测周法更合适，当待测信号频率大于中界频率时，测频法误差更小，选用测频法更合适。

三、输入捕获各电路

 

 图3-1输入捕获电路图

输入捕获的各部分电路，从左到右来看，是四个通道的引脚（TIM_CHx），可以参考引脚定义表，就可以知道这个引脚是复用在哪个位置。在引脚进来后，又三个输入的异或门，异或门的输入接在通道1，2，3端口。（异或门的执行逻辑是，当三个输入引脚的任何一个有电平翻转时，输出引脚就产生一次电平翻转，）之后输出通过数据选择器(TI1)，到达输入捕获通道1，如果数据选择器选择上面一个，那输入捕获通道1的输入，就是3个引脚的异或值，如果选择下面一个，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）

输入信号过来，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，避免一些高频的毛刺信号误触发，然后边沿检测器，这就和外部中断哪里一样，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，这里其实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TI1 FP1，输入给通道1(IC1)的后续电路；第二套电路，经过另一个滤波和极性选择，得到TI1 FP2，输入给下面通道2(IC2)的后续电路

同理，下面TI2信号进来，也经过两道滤波和极性选择，得到TI2FP1，和TI2FP2，其中TI2FP1，输入给上面(IC1)，TI2FP2输入给下面(IC2)。

这里，两个信号进来，可以选择各走各的，也可以选择进行一个交叉，让CH2引脚输入给通道1，或者 CH1引脚输入给通道2。

做出交叉的目的：

1. 可以灵活切换后续捕获电路的输入，比如一会相以CH1作为输入，一会想以CH2作为输入，这样就可以通道数据选择器，灵活地进行选择，
2. 就时可以把一个引脚地输入，同时映射到两个捕获单元，这也是PWMI模式地经典结构。第一个捕获通道，使用上升沿触发，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，就可以同时测量频率和占空比。这就时PWMI模式。

TRC信号，也可以选择作为捕获部分输入，TRC信号来源于图3-2

 

图3-2  TRC信号 

看回图3-1输入捕获电路，输入信号进行滤波和极性选择后，来到预分频器，每个通道各有一个，可以选针对前面的信号进行分频，分频之后的触发信号，就可以出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，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。

上升沿用于触发输入捕获，CNT用于计数计时，每来一个上升沿，去一下CNT的值，自动存在CCR里，CCR捕获到的值，就是计数值N。CNT的驱动时钟，就是fc。Fc/N就得到了待测信号的频率。（类似于上面的测周法）

细节问题：每次捕获上升沿后，都要把CNT清0，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。

图3-3输入捕获1的细化图

 引脚进来，先经过一个滤波器，滤波器的输入是TI1，就是CH1的引脚，输出的TI1F就是滤波后的信号；fDTS是滤波器的采样时钟来源，下面CCMR1寄存器的ICF位可以控制滤波器的参数。

 CCMR1：参考手册

 

原理：以采样频率对输入信号进行采样，当连续N个值都位高电平，输出才为高电平，连续N个值为低电平，输出才为低电平。如果信号出现高频抖动，导致连续采样N个值都不一样，那输出就不会变化，就可以达到滤波效果。采样频率越低，采样个数N越大，滤波效果越好。

在实际应用中，如果波形噪声比较大，就可以把这个参数设置大一些，这样就可以过滤噪声了。

回到上图3-3输入捕获1细化图，滤波之后信号通过边沿检测器，捕获上升沿或者下降沿，用这个CCER寄存器里的CC1P位，就可以选择极性了。最后得到TI1FP1触发信号，通过数据选择器，进入通道1后续的捕获电路，（这里还会由一套得到TI1FP2触发信号，连通到通道2的后续电路，总共是四种连接方式）。然后经过这里的数据选择器，进入后续捕获部分电路，CC1S位可以对数据选择器进行选择，之后ICPS位，可以配置这里的分频器，可以选择不分频、2分频、4分频、8分频。最后CC1E位，控制输出使能或失能。

如果使能了输出，输入端产生指定边沿信号，经过层层电路，到达最后一步，就可以让这里CNT的值，转运到CCR。因为每次CNT捕获后需要清0，在这里硬件电路就可以在捕获之后自动完成CNT的清0工作。

如何清0 CNT，TI1FP1信号和TI1的边沿信号，都可以通向从模式控制器，比如TI1FP1信号的上升沿触发捕获；TI1FP1还可以也同时触发从模式，这个从模式里面，就有电路，可以自动完成CNT的清0，（可以看出，这个从模式就是完成自动化操作的利器）

 四、主从触发模式

 图4-1主从触发模式图解

主模式：可以将定时器内部的信号，映射到TRGO引脚，用于触发别的外设，所以这部分叫做主模式。

从模式：就是接收其他外设或者自身外设一些信号，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，也可以认为是从模式的一部分，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，选这择项操作来在自动执行。

例子：清0CNT。TI1FP1信号自动触发CNT清0，触发源选择，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0 CNT，实现硬件全自动测量。

 

 

 

五、输入捕获基本结构

图5-1输入捕获基本结构

输入捕获基本结构：只使用了一个通道，目前只能测量频率。

时基单元配置好，启动定时器，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，经过预分频之后这个位置的时钟频率，就是驱动CNT的标准频率fc。标准频率=72M/预分频系数，然后下面输入捕获通道1的GPIO口，输入一个这样的方波信号，经过滤波器和边沿检测，选择TI1FP1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，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0。（这里会有一个先后顺序，先转运CNT的值到CCR里去，再触发从模式给CNT清零，或者是非阻塞的同时转移，CNT的值转移到CCR，同时0转移到CNT里面去。）

左上角的图：信号触发上升沿，CCR1=CNT，就是CNT的值值转运到CCR1里面去，这是输入捕获自动执行的，然后CNT=0，清零计数器，这是从模式自动执行的，然后再一个周期之内，CNT在标准时钟的驱动下，不断自增，并且由于之前清零过，所以CNT就是从上升沿开始，从0开始计数，一直++，直到下一次上升沿来临，然后执行相同的操作，CCR1=CNT，CNT=0。注意第二次捕获的时候，这个CNT就是由上一次上升沿到这一次上升沿的计数值，这个计数值就自动放在CCR1里面，然后下一个周期，继续同样的过程。所以这个电路工作时，CCR1的值始终保持为最新一个周期的计数器，这个计数值就是这里的N，

然后fc/N就是信号的频率。当我们想要读取信号的频率时，只需要读取CCR1得到的N，再计算fc/N，就行了，不需要读取的时候，整个电路全自动的测量，不需要占用任何软件资源。

注意;CNT的值是有上限的，ARR一般设置为65535，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。  从模式的触发源选择，只有TI1F1和TI2FP2，没有3和4通道，所以在这里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，这样程序会处于频繁中断的状态，比较消耗软件资源。

六、PWMI基本结构

 图6-1PWMI基本结构

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，对比输入捕获，多了下面一个通道，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， 这时候再来一个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。

这时候发生（左上角图）：最开始上升沿，CCR1捕获，同时清零CNT，之后CNT一直++，然后在下降沿这一个时刻，触发CCR2捕获，这是CCR2的值们就是CNT从这里到这里的计数值，就是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，这样执行之后，CCR1就是一整个周期的计数值，CCR2就是高电平期间的计数值，用CCR2/CCR1，就是占空比了。

 

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