江协科技STM32学习- P17 TIM输入捕获

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引用：

STM32入门教程-2023版细致讲解中文字幕_哔哩哔哩_bilibili

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术语：

英文缩写	描述
GPIO：General Purpose Input Onuput	通用输入输出
AFIO：Alternate Function Input Output	复用输入输出
AO：Analog Output	模拟输出
DO：Digital Output	数字输出
内部时钟源 CK_INT：Clock Internal	内部时钟源
外部时钟源 ETR：External clock	时钟源 External clock
外部时钟源 ETR：External clock mode 1	外部时钟源 Extern Input pin 时钟模式1
外部时钟源 ETR：External clock mode 2	外部时钟源 Extern Trigger 时钟模式2
外部时钟源 ITRx：Internal trigger inputs	外部时钟源，ITRx （Internal trigger inputs）内部触发输入
外部时钟源 TIx：external input pin	外部时钟源 TIx （external input pin）外部输入引脚
CCR：Capture/Comapre Register	捕获/比较寄存器
OC：Output Compare	输出比较
IC：Input Capture	输入捕获
TI1FP1：TI1 Filter Polarity 1	Extern Input 1 Filter Polarity 1，外部输入1滤波极性1
TI1FP2：TI1 Filter Polarity 2	Extern Input 1 Filter Polarity 2，外部输入1滤波极性2

正文：

0. 概述

从 2024/06/12 定下计划开始学习下江协科技STM32课程，接下来将会按照哔站上江协科技STM32的教学视频来学习入门STM32 开发，本文是视频教程 P2 STM32简介一讲的笔记。

定时器共四个部分，分为八个小节笔记。本小节为第一部分第一节。

🌳在第一部分，是定时器的基本定时的功能：定时中断功能、内外时钟源选择

🌳在第二部分，是定时器的输出比较功能，最常见的用途是产生PWM波形，用于驱动电机等设备

🌳在第三部分，是定时器的输入捕获功能和主从触发模式，来实现测量方波频率

🌳在第四部分，是定时器的编码器接口，能够更加方便读取正交编码器的输出波形，编码电机测速

1. 🚢输入捕获

1.1 输入捕获简介

输入捕获，即Input Capture，英文缩写为IC。输入捕获模式下，当通道输入引脚出现指定电平跳变瞬间（可以定义为上升沿、下降沿），当前CNT的值将被锁存到CCR中（检测电平跳变，然后执行动作（作用和外部中断差不多，只不过外部中断执行的动作是向CPU申请中断，输入捕获执行的是控制后续电路）），可用于测量PWM波形的频率、占空比、脉冲间隔、电平持续时间等参数。在这里，脉冲间隔和频率差不多、电平持续时间和占空比也是互相对应的关系。

每个高级定时器和通用定时器都拥有4各输入捕获通道，且二者没有区别。基本定时器没有输入捕获的功能。

输入捕获模块可以配置为PWMI（PWM输入）模式和主从触发模式。PWMI模式是PWM的输入模式，专门用来同时测量PWM波形的频率和占空比的。主从触发模式可以实现对频率或占空比的硬件的全自动测量。把这两个功能结合起来，测量频率和占空比就是硬件全自动执行，软件不需进行任何干预，也不需进中断，需要测量的时候，直接读取CCR寄存器就行了，使用非常方便且极大地减轻了软件的压力。

如下图，左边为输入捕获电路，4个输入捕获和输出比较通道，共用4个CCR寄存器，另外它们的CH1到4的4个通道引脚也是共用的，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。

🌿输入捕获对比输出比较：

🌿输出比较，引脚是输出端口，根据CNT和CCR的大小关系来执行输出动作
🌿输入捕获，引脚是输入端口，接收到输入信号执行CNT锁存到CCR的动作

1.2输入捕获的各部分电路

🌿从左向右依次进行电路分析：

🌿最左边是四个通道的引脚，参考引脚定义表，就指导引脚是复用在哪个位置

🌿然后引脚进来，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，3个引脚电平都相同为0，3个引脚中有高有低为1。

🌿然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1的输入就是三个引脚的异或值；若选择下面一个，异或门就没有用。设计异或门，其实还是为了三相无刷电机服务的，无刷电机有三个霍尔传感器检测转子的位置，可以根据转子的位置来进行换相。

🌿输入信号来到了输入滤波器和边沿检测器（极性选择）。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；边沿检测器就是和外部中断一样，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。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输入通道1和TI2FP2输入通道2。

可以进行交叉连接，例如CH1引脚输入给通道2，CH2引脚输入给通道1，进行交叉连接的目的是两个：

🌿1.一个通道灵活切换两个引脚，可以灵活切换后续捕获电路的输入，
🌿2.两个通道同时捕获一个引脚，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，实现两个通道（IC）对一个引脚（CH）进行捕获，就可以同时测量频率和占空比。可以选择各自独立连接，也可以选择进行交叉连接。另外还有一个TRC信号，也可选择作为捕获部分的输入，TRC信号来源于最上面，设计也是为了无刷电机的驱动。

🌿然后来到了预分频器。每个通道各有一个预分频器，可以选择对前面的信号进行分频，分频之后的触发信号，就可以触发电路进行工作了，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。比如，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CNT计数器是由内部的标准时钟驱动的，所以CNT的数值可以用来记录两个上升沿之间的时间间隔（周期）再取倒数就是测周法测量的频率了，在一次捕获后将CNT清零（可以用主从触发模式来自动完成CNT清零）

🌿输入捕获通道1的详细框图如下所示：（如下是上面框图的一个细化结构，基本功能都是一样的）

如上图，电路细节内容如下

🌾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
🌾CCMR1寄存器里的ICF位可以控制滤波器的参数
🌾滤波器的工作原理就是：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，输出才为高电平，当连续N个值都为低电平，输出才为低电平，如果信号出现高频抖动，导致连续采样N个值不全都一样，那输出就不会变化，这样就可以达到滤波的效果。采样频率越低，采样个数N越大，滤波效果就越好。在实际应用中，如果波形噪声比较大，就可以把IC1F位参数设置大一点来过滤噪声。
🌾滤波之后的信号通过边沿检测器。捕获上升沿或者下降沿
🌾CCER寄存器里的CC1P位可以进行极性选择
🌾最终得到TI1FP1触发信号
🌾通过数据选择器，进入通道1后续的捕获电路

🌾当然还有一套一样的电路得到TI1FP2触发信号，连通到通道2的后续电路，上图并没有画出来，同样，通道2有TI2FP1连通到通道1的后续，通道2也有TI2FP2连通到通道2的后续，总共有四种连接方式，然后经过数据选择器，进入后续捕获部分电路

🌾CCMR寄存器的CC1S位可以对数据选择器进行选择

🌾之后，CCMR寄存器的ICPS位可以配置分频器，可以选择不分频、2分频、4分频、8分频

🌾CCMR寄存器的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，就可以最后将CNT的值转运到CCR里来，每捕获一次CNT的值，都要把CNT清0一下，以便于下一次的捕获，从模式控制器就可以在捕获之后自动完成CNT的清零工作

🌾TI1FP1信号和TI1F_ED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，还可以同时触发从模式，这个从模式里就有电路，可以自动完成CNT的清零。从模式就是完成自动化操作的利器

1.3 输入捕获的主模式、从模式、触发源选择（简称：主从触发模式）

🌾CCR对CNT进行捕获之后，需要对CNT进行一次清0操作，这样每次捕获得到的值才是测周法，两个上升沿（下降沿）之间的时间间隔。这个清0操作，就需要用到主从触发模式来自动完成。由输入捕获通道1的详细框图可得：经过滤波和极性选择的TI1FP1信号和经过滤波的边沿信号TI1F_ED都可以通向从模式控制器，之后便可以通过硬件电路自动完成CNT的清0操作。
🌾主从触发模式，即主模式、从模式和触发源选择三个功能的简称。
🌵主模式可以将定时器内部的信号映射到TRGO引脚，用于触发其他外设的操作；
🌵从模式可以接收其他外设或自身外设的一些信号，用于触发自己的一些操作（定时器的运行）；
🌵触发源选择，即选择从模式的触发信号源功能，也可以认为它是从模式的一部分。
🌾在从模式下，可以通过触发源选择功能选择一个信号产生TRGI信号，之后去触发从模式，从模式可以在上面列表中选择一项操作来自动执行。关于主从模式的详细说明可以参见手册：

1.4 输入捕获和PWMI基本结构

1.4.1输入捕获基本结构

下图是输出捕获模式测频率的基本结构图。

上图清晰地展示了输入捕获模式测量频率的过程，同时也是编程的逻辑基础。在这里我们只使用了一个通道，所以它只能测量频率。

🌾首先，配置时基单元，启动寄存器，则CNT就会在预分频之后的时钟驱动下不断自增。测周法用CNT来计数，间接实现计时的功能。经过预分频后的时钟频率，就是测周法的标准频率fc。
🌾之后，GPIO输入一个待测的方波信号，经过经过滤波器和边沿检测选择TI1FP1为上升沿触发，
🌾之后数据选择器选择直连通道，分频器选择不分频。
🌾当TI1FP1出现上升沿之后，CNT的值就会被CCR1转运捕获；同时触发源选择模块选择TI1FP1为触发信号，从模式选择复位操作，触发CNT清零
（先后顺序是：先转运CNT的值到CCR，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，总之是先捕获，再清零）
🌾当电路不断工作时，CCR1中的值始终是最新一个周期的计数值，即测周法的计次数 N。所以，当我们想读取信号的频率时，只需要读取CCR1得到N，再计算fc/N就得到频率了。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。

2、🚢频率的测量方法

如上图是频率逐渐降低的方波波形，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，它也是只能测量数字信号的。如果需要测量一个正弦波则需要搭建一个信号预处理电路，最简单的就是用运放搭建一个比较器，把正弦波转换为数字信号再输入给STM32就行了；如果你测量的信号电压非常高，那还要考虑隔离的问题，比如使用隔离放大器、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STM32的信号是如上图的高低电平信号，高电平3.3v，低电平0v。