電機(jī)控制基礎(chǔ)2——定時(shí)器捕獲單輸入脈沖原理

發(fā)布日期： 2021-06-24 瀏覽次數(shù)： 2,084

1 問題引出

在單片機(jī)與嵌入式開發(fā)中，某些場景需要捕獲傳感器的高電平（或低電平）信號的持續(xù)時(shí)間，如紅外解碼信號、編碼器輸入信號等。

如下圖，以單一的一段高電平輸入信號為例，如何測量這段高電平的時(shí)間呢？

從直觀上理解，就是要不斷的檢測這個(gè)信號，當(dāng)信號從0變到1時(shí)，記錄一個(gè)時(shí)間，再從1變到0時(shí)，記錄另一個(gè)時(shí)間，兩個(gè)時(shí)間差就是高電平的持續(xù)時(shí)間了。那具體要怎么編程呢？這就要用到定時(shí)器了。

2 定時(shí)器的捕獲原理

上篇介紹了定時(shí)器的輸出功能，本篇是利用定時(shí)器的輸入功能，來計(jì)算脈沖時(shí)長。如下圖：

定時(shí)器的CNT計(jì)數(shù)器在不停的計(jì)數(shù)
首先配置定時(shí)器的輸入通道為上升沿捕獲，這樣當(dāng)檢測到從0到1的跳變時(shí)，CCR1就會先保存當(dāng)前的CNT值，同時(shí)CNT會清零重新開始計(jì)數(shù)
然后將定時(shí)器的輸入通道為下降沿捕獲，當(dāng)檢測從1到0的跳變時(shí)，CCR2就會先保存當(dāng)前的CNT值
在這期間，CNT的計(jì)數(shù)值可能會溢出，這不影響，記錄下溢出的次數(shù)，并重新開始計(jì)數(shù)即可
最終，t2-t1的高電平時(shí)間，就可以通過N次的溢出時(shí)間加CCR2保存的時(shí)間來計(jì)算獲得了

3 定時(shí)器常用的寄存器

上篇介紹了定時(shí)器輸出PWM時(shí)用到的幾個(gè)寄存器（CR、CCMR、CNT、PSC、ARR、CCR等），這里再介紹幾個(gè)捕獲信號時(shí)需要用到的幾個(gè)寄存器：

3.1 捕獲/比較模式寄存器CCMR1

CCMR寄存器上篇已有介紹，只是上篇僅介紹了輸出模式下的功能，本篇再介紹一下它在輸入模式下的功能：

這些通道可用于輸入（捕獲模式）或輸出（比較模式）模式。通道方向通過配置相應(yīng)的 CCxS 位進(jìn)行定義。此寄存器的所有其它位在輸入模式和輸出模式下的功能均不同。對于任一給定位

OCxx 用于說明通道配置為輸出時(shí)該位對應(yīng)的功能
ICxx 則用于說明通道配置為輸入時(shí) 該位對應(yīng)的功能

因此，必須注意同一個(gè)位在輸入階段和輸出階段具有不同的含義。

這里僅先介紹輸入模式下的功能：

位 15:12 IC2F：輸入捕獲 2 濾波器 (Input capture 2 filter)
位 11:10 IC2PSC[1:0]：輸入捕獲 2 預(yù)分頻器 (Input capture 2 prescaler)
位 9:8 CC2S：捕獲/比較 2 選擇 (Capture/compare 2 selection) 用法參照下面的CC1S通道1
位 7:4 IC1F：輸入捕獲 1 濾波器 (Input capture 1 filter)

數(shù)字濾波器由事件計(jì)數(shù)器組成，每 N 個(gè)事件才視為一個(gè)有效邊沿：
- 0000：無濾波器
- 0001~1111：其它頻率的濾波器
位 3:2 IC1PSC：輸入捕獲 1 預(yù)分頻器 (Input capture 1 prescaler)

此位域定義 CC1 輸入 (IC1) 的預(yù)分頻比。只要 CC1E=0（TIMx_CCER 寄存器），預(yù)分頻器便立即復(fù)位。
- 00：無預(yù)分頻器，捕獲輸入上每檢測到一個(gè)邊沿便執(zhí)行捕獲
- 01~11：每發(fā)生 2 （4、8）個(gè)事件便執(zhí)行一次捕獲
位 1:0 CC1S：捕獲/比較 1 選擇 (Capture/Compare 1 selection)，此位域定義通道方向（輸入/輸出）以及所使用的輸入。
- 00：CC1 通道配置為輸出
- 01：CC1 通道配置為輸入，IC1 映射到 TI1 上
- 10：CC1 通道配置為輸入，IC1 映射到 TI2 上
- 11：CC1 通道配置為輸入，IC1 映射到 TRC 上。此模式僅在通過 TS 位（TIMx_SMCR 寄存器）選擇內(nèi)部觸發(fā)輸入時(shí)有效

注：僅當(dāng)通道關(guān)閉時(shí)（TIMx_CCER 中的 CC1E = 0），才可向 CC1S 位寫入數(shù)據(jù)。

3.2 捕獲/比較使能寄存器CCER

我們要用到這個(gè)寄存器的最低 2 位， CC1E 和 CC1P。

位 15、11、7、3 CCxNP：捕獲 /比較x 輸出極性 (Capture/Comparex output Polarity)。
- CCx 通道配置為輸出： CCxNP 必須保持清零。
- CCx 通道配置為輸入：此位與 CCxP 配合使用，用以定義 TI1FP1/TI2FP1 的極性。請參見 CCxP 說明。
位 14、10、6、2 保留，必須保持復(fù)位值。
位 13、9、5、1 CCxP：捕獲 /比較x 輸出極性 (Capture/Comparex output Polarity)。
- 00：非反相/上升沿觸發(fā) 電路對 TIxFP1 上升沿敏感（在復(fù)位模式、外部時(shí)鐘模式或觸發(fā)模式下執(zhí)行捕獲或觸發(fā)操作）， TIxFP1 未反相（在門控模式或編碼器模式下執(zhí)行觸發(fā)操作）。
- 01：反相/下降沿觸發(fā) 電路對 TIxFP1 下降沿敏感（在復(fù)位模式、外部時(shí)鐘模式或觸發(fā)模式下執(zhí)行捕獲或觸發(fā)操作）， TIxFP1 反相（在門控模式或編碼器模式下執(zhí)行觸發(fā)操作）。
- 10：保留，不使用此配置。
- 11：非反相/上升沿和下降沿均觸發(fā) 電路對 TIxFP1 上升沿和下降沿都敏感（在復(fù)位模式、外部時(shí)鐘模式或觸發(fā)模式下執(zhí)行捕獲或觸發(fā)操作），TIxFP1 未反相（在門控模式下執(zhí)行觸發(fā)操作）。編碼器模式下不得使用此配置。
- 0：OCx 高電平有效
- 1：OCx低電平有效
- CCx 通道配置為輸出：
- CCx 通道配置為輸入：
  
  CCxNP/CCxP 位可針對觸發(fā)或捕獲操作選擇 TI1FP1 和 TI2FP1 的極性。
位 12、8、4、0 CCxE：捕獲 /比較 x 輸出使能 (Capture/Comparex output enable)。
- 0：禁止捕獲
- 1：使能捕獲
- 0：關(guān)閉––OCx 未激活
- 1：開啟––在相應(yīng)輸出引腳上輸出 OCx信號
- CCx 通道配置為輸出：
- CCx 通道配置為輸入：
  
  此位決定了是否可以實(shí)際將計(jì)數(shù)器值捕獲到輸入捕獲/比較寄存器 1 (TIMx_CCR1) 中。

3.3 DMA/中斷使能寄存器DIER

我們需要用到中斷來處理捕獲數(shù)據(jù)，所以必須開啟通道 1 的捕獲比較中斷，即 CC1IE 設(shè)置為 1 。

位 15、13、7、5 保留，必須保持復(fù)位值。
位 14 TDE：觸發(fā) DMA 請求使能 (Trigger DMA request enable)
位 12~位9 CCxDE：捕獲/比較x DMA 請求使能 (Capture/Compare 1 DMA request enable)
位 8 UDE：更新 DMA 請求使能 (Update DMA request enable)
位 6 TIE：觸發(fā)信號(TRGI)中斷使能 (Trigger interrupt enable)
位 4~位1 CCxIE：捕獲/比較x 中斷使能 (Capture/Compare 1 interrupt enable)
位 0 UIE：更新中斷使能 (Update interrupt enable)

4 編程

4.1 定時(shí)器初始化

4.1.1 GPIO初始化

這里用到的是定時(shí)器5的通道1，根據(jù)STM32F407的數(shù)據(jù)手冊“3 Pinouts and pin description”中的“Table 9. Alternate function mapping”復(fù)用引腳說明表，可以看到定時(shí)器5通道1對應(yīng)的引腳位A0，所以使用A0作為信號的輸入引腳。

因此程序中對A0引腳可以這樣配置，注意一定要配置引腳的復(fù)用功能：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;      /*GPIO 結(jié)構(gòu)體*/
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); //使能PORTA時(shí)鐘 

/*輸入信號的GPIO初始化*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;      //GPIOA0
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;    /*復(fù)用功能*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;   //推挽復(fù)用輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN;   /*下拉*/
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);        //初始化PA0

GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource0,GPIO_AF_TIM5); //PA0復(fù)用位定時(shí)器5

4.1.2 時(shí)基初始化

使用定時(shí)器，時(shí)基初始化是必不可少的，就是要設(shè)置一些計(jì)數(shù)的頻率與溢出值（自動(dòng)重裝載值）：

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; /*時(shí)基 結(jié)構(gòu)體*/

/*時(shí)基初始化*/
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;   /* 自動(dòng)重裝載值 */
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc; /* 定時(shí)器分頻 */
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上計(jì)數(shù)模式
TIM_TimeBaseInit(TIM5,&TIM_TimeBaseStructure);

4.1.3 輸入通道初始化

將定時(shí)器的通道1設(shè)置為輸入捕獲模式：

TIM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure;    /*輸入通道 結(jié)構(gòu)體*/

/*輸入通道初始化，初始化TIM5輸入捕獲參數(shù)*/
TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;        //CC1S=01 選擇輸入端 IC1映射到TI1上
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; /* 上升沿捕獲 */
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到TI1上
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;     //配置輸入分頻,不分頻 
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;            //IC1F=0000 配置輸入濾波器 不濾波
TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);

TIM_ITConfig(TIM5,TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1,ENABLE); /* 允許更新(溢出)中斷 ,允許CC1IE捕獲中斷 */ 

TIM_Cmd(TIM5,ENABLE ); //使能定時(shí)器5

關(guān)于配置CCMR1、CCER寄存器

CCMR1:

CCER:

TIM_ICInit函數(shù)對應(yīng)于輸入通道的初始化，其實(shí)就是操作CCMR1、CCER寄存器：

void TIM_ICInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_ICInitTypeDef* TIM_ICInitStruct)
{
 if (TIM_ICInitStruct->TIM_Channel == TIM_Channel_1)
 {  /* TI1 配置 */
   TI1_Config(TIMx, TIM_ICInitStruct->TIM_ICPolarity,
         TIM_ICInitStruct->TIM_ICSelection,
         TIM_ICInitStruct->TIM_ICFilter);
   /* 設(shè)置中斷捕獲預(yù)分頻值 */
   TIM_SetIC1Prescaler(TIMx, TIM_ICInitStruct->TIM_ICPrescaler);
 }
 else if (TIM_ICInitStruct->TIM_Channel == TIM_Channel_2)
 {
   /*省略...*/
 }
}

static void TI1_Config(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPolarity, uint16_t TIM_ICSelection,uint16_t TIM_ICFilter)
{
 uint16_t tmpccmr1 = 0, tmpccer = 0;

 /* 關(guān)閉通道1: 復(fù)位CC1E位 */
 TIMx->CCER &= (uint16_t)~TIM_CCER_CC1E;
 tmpccmr1 = TIMx->CCMR1;
 tmpccer = TIMx->CCER;

 /* 通過設(shè)置CC1S選擇為輸入模式， 并配置濾波器 */
 tmpccmr1 &= ((uint16_t)~TIM_CCMR1_CC1S) & ((uint16_t)~TIM_CCMR1_IC1F);
 tmpccmr1 |= (uint16_t)(TIM_ICSelection | (uint16_t)(TIM_ICFilter << (uint16_t)4));

 /* 選擇CC1P極性并設(shè)置CC1E位 */
 tmpccer &= (uint16_t)~(TIM_CCER_CC1P | TIM_CCER_CC1NP);
 tmpccer |= (uint16_t)(TIM_ICPolarity | (uint16_t)TIM_CCER_CC1E);

 /* 寫數(shù)據(jù)到 TIMx 的CCMR1 和 CCER 寄存器 */
 TIMx->CCMR1 = tmpccmr1;
 TIMx->CCER = tmpccer;
}

void TIM_SetIC1Prescaler(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPSC)
{
 TIMx->CCMR1 &= (uint16_t)~TIM_CCMR1_IC1PSC; /* 復(fù)位IC1PSC位 */
 TIMx->CCMR1 |= TIM_ICPSC;          /* 設(shè)置IC1PSC值 */
}

關(guān)于配置DIER寄存器

TIM_ITConfig函數(shù)對于中斷的開啟，其實(shí)就是操作DIER寄存器：

void TIM_ITConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT, FunctionalState NewState)
{ 
 if (NewState != DISABLE)
 {  /* 使能中斷 */
   TIMx->DIER |= TIM_IT;
 }
 else
 {  /* 失能中斷 */
   TIMx->DIER &= (uint16_t)~TIM_IT;
 }
}

4.1.4 定時(shí)器中斷初始化

定時(shí)器中斷的使能設(shè)置已在上面的定時(shí)器配置中設(shè)置，這里只是進(jìn)行常規(guī)的配置定時(shí)器中斷的優(yōu)先級：

/*定時(shí)器中斷配置*/
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2; //搶占優(yōu)先級3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =0; //子優(yōu)先級3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;  //IRQ通道使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);           //根據(jù)指定的參數(shù)初始化NVIC寄存器

4.2 定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)

此處用到了兩個(gè)全局變量，用于輔助實(shí)現(xiàn)高電平捕獲。其中：

TIM5CH1_CAPTURE_VAL用來記錄捕獲到下降沿的時(shí)候 TIM5_CNT的值。
TIM5CH1_CAPTURE_STA用來記錄捕獲狀態(tài)，我們把它當(dāng)成一個(gè)寄存器那樣來使用。其各位描述下：

u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //輸入捕獲狀態(tài)（當(dāng)中一個(gè)自制的寄存器使用，初始為0） 
u32 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //輸入捕獲值(TIM2/TIM5是32位)

/**
* @brief 定時(shí)器5中斷服務(wù)程序
*/
void TIM5_IRQHandler(void)
{  
 if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//還未成功捕獲 (1000 0000)
 {
 /*定時(shí)器溢出中斷*/
 if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET)
 {   
  if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)/* 之前標(biāo)記了開始信號(0100 0000) */
  {
  if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F) /* 高電平太長了,計(jì)數(shù)溢出了 (0011 1111) */
  {
   TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;  /* (強(qiáng)制)標(biāo)記成功捕獲了一次 (1000 0000) */
   TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFFFFFF; /* 因?yàn)橐绯龃螖?shù)N不能再加了，就將當(dāng)前的捕獲值設(shè)置為32位的最大值，等效Nmax+1*/
  }
  else /* 正常情況是不會溢出，最終得出正確的高電平時(shí)間 */
  {
   TIM5CH1_CAPTURE_STA++; /* 累計(jì)定時(shí)器溢出次數(shù)N */
  }
  }
  else
  {
  /* 還沒有捕獲到信號時(shí)，定時(shí)器溢出后什么也不做，自己清零繼續(xù)計(jì)數(shù)即可 */
  }
 }
 
 /*捕獲1發(fā)生捕獲事件*/
 if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET)
 { 
  /*捕獲到一個(gè)下降沿(結(jié)束信號)*/
  if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40) /* 之前標(biāo)記了開始信號(0100 0000) */   
  {   
  TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;           /* 標(biāo)記成功捕獲到一次高電平脈寬 (1000 0000) */
  TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM5);     /* 獲取當(dāng)前的捕獲值 */
   TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Rising); /* CC1P=0 重新設(shè)置為上升沿捕獲，用于下次捕捉信號 */
  }   
  /*還未開始,第一次捕獲 上升沿(起始信號) */
  else     
  {
  TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;  /* 清空 捕獲狀態(tài)寄存器 */
  TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0;     /* 清空 捕獲值 */
  TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40; /* 標(biāo)記捕獲到了上升沿 (0100 0000) */
  
  TIM_Cmd(TIM5,DISABLE );   /* 關(guān)閉定時(shí)器5 */
   TIM_SetCounter(TIM5,0);     /* 清空CNT，重新從0開始計(jì)數(shù) */
   TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Falling); /* CC1P=1 設(shè)置為下降沿捕獲 */
  TIM_Cmd(TIM5,ENABLE );     /* 使能定時(shí)器5 */
  }   
 }          
 }
 TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中斷標(biāo)志位
}

再來對比一下這張圖：

初始化時(shí)設(shè)置為上升沿觸發(fā)，觸發(fā)后（起始信號），清空CNT，重新從0開始計(jì)數(shù)，并設(shè)置為下降沿捕獲
在之后的過程中可能會有多次定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出，即TIM5CH1_CAPTURE_STA++（使用低6位），也即N的值
最后捕捉到下降沿（結(jié)束信號），TIM5CH1_CAPTURE_VAL獲取當(dāng)前CNT的值，也即CCRx2的值

再看主函數(shù)中：

while(1) 
{
  /* 成功捕獲到了一次高電平 (1000 0000) */
  if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)    
  {
    temp=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F; /* 獲取溢出的次數(shù)N (0011 1111) */
    temp*=0XFFFFFFFF;   /* 溢出時(shí)間總和 = N*溢出計(jì)數(shù)值 */
    temp+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL; /* 總的高電平時(shí)間 = 溢出時(shí)間總和 + 下降沿時(shí)的計(jì)數(shù)值*/

    printf("HIGH:%lld us\r\n",temp); //打印總的高點(diǎn)平時(shí)間
    TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;  //開啟下一次捕獲
  }
}

當(dāng)檢查TIM5CH1_CAPTURE_STA為捕獲到1次高電平后，打印高電平的持續(xù)時(shí)間：

總的高電平時(shí)間 =N(TIM5CH1_CAPTURE_STA的低6位) * ARR(溢出計(jì)數(shù)值)+ CCRx2(下降沿時(shí)的計(jì)數(shù)值)

附：一些寄存器簡寫的全稱

ARR：auto-reload register 自動(dòng)重載寄存器

CCR：capture/compare register 捕獲/比較寄存器

PSC：prescaler 預(yù)分頻器

CNT：counter 計(jì)數(shù)器

SR：status register 狀態(tài)寄存器

CCMR：capture/compare mode register 捕獲/比較模式寄存器

CC1S：Capture/Compare 1 selection 捕獲/比較1模式選擇

OC1M： Output compare 1 mode 輸出比較1模式

OC1PE：Output compare 1 preload enable 輸出比較1預(yù)裝載使能

IC1F：Input capture 1 filter 輸入捕獲1濾波器

IC1PSC：Input capture 1 prescaler 輸入捕獲1預(yù)分頻器

CCER：capture/compare enable register 捕獲/比較使能寄存器

CC1P：Capture/Comparex output Polarity 捕獲 /比較1輸出極性

CC1E：Capture/Comparex output enable 捕獲 /比較1輸出使能

SMCR：slave mode control register 從模式控制寄存器

DCR：DMA control register DMA 控制寄存器

DIER：DMA/Interrupt enable register DMA/中斷使能寄存器

DMAR：DMA address for full transfer 全傳輸 DMA 地址

OR：option register 選項(xiàng)寄存器

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