简介：配置好STM32 CUBE IDE后只需要额外7行代码就可以构建一个频率计，目前只计算测频，占空比测量需要加入下降沿捕获标记（暂时没做）。
一、原理
- 频率：单位时间内完成周期性变化的次数，f = 1/T。
- 如何测量：
- 脉冲数测量法，单位时间内脉冲的数量来计算频率。适用条件：高频，因为高频的脉冲间隔时间很短，测量时间不容易达到准确状态。
- 测量时间间隔法，测量脉冲之前的时间间隔。适用条件：低、中频
- 高、中低频分类：暂时没有找到依据借鉴，这里取经验算，当单片机定时器的时钟为108MHz时，取脉冲为误差为1的条件下，计算频率误差为10%时的最高测量频率为1.08MHz，即1MHz以下的频率可以用测量时间间隔法，理论频率可以测到108MHz只是高于1MHz的情况下，误差大于10%。
- 其他减小误差的方法，多次平均值等。
二、时间间隔法测频
- 计算方法，f = 1/T，如T = 1mS时，f = 1KHz，所以当我测到两个脉冲的间隔T，就能得到频率。
- 采用定时器输入捕获得到时间间隔。例如，输入捕获有三种触发方式，上升沿、下降沿、上/下沿，当配置为上升沿时，当引脚有一个上升沿，就会触发一次捕获事件，此时记录定时器的计数值V1，第二次上升沿触发时，记录定时器的计数值V2，所以事件间隔为T = V2 – V1，从而得到频率。
- 这里需要考虑定时器溢出的情况，如16位定时器计数值为0-65535，两个上升沿捕获可能发生在当前计数周期最后或下一个计数周期、或跨越多个计数周期。
- 有些例子使用置计数值0的方法，这种方法限制挺多的，如一个定时器多个通道等。
三、实际应用
例：使用TIM4_CH2和TIM4_CH3测频，测量范围2Hz-200Hz，频率更新速度200mS
- STM32 CUBE IDE配置
2.添加代码
包含头文件：文件里面可更改采集和计算次数
#include "user_tim_measure_frequency.h"定义测量对象：
TIM_Capture_Def TIM4_CH2, TIM4_CH3;初始化测量状态，主要在于输入定时器主频，用于后续计算频率
// 定时器主频
user_tim_capture_init(&TIM4_CH2, (HAL_RCC_GetPCLK1Freq() * 2) / htim4.Init.Prescaler);
user_tim_capture_init(&TIM4_CH3, (HAL_RCC_GetPCLK1Freq() * 2) / htim4.Init.Prescaler);开启定时器捕获中断和溢出中断
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim4, TIM_CHANNEL_2); // 开启捕获
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim4, TIM_CHANNEL_3); // 开启捕获
__HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim4, TIM_IT_UPDATE); // 更新中断用于溢出计数捕获中断和溢出中断中加入标记函数
/******************************************************************************
* 功能：定时器更新中断（计数溢出）中断处理回调函数， 该函数在HAL_TIM_IRQHandler中会被调用
* TIM4：溢出计数
*****************************************************************************/
void user_HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) // 更新中断（溢出）发生时执行
{
if (htim->Instance == TIM4) // 捕获
{
user_tim_tick_overflow(&TIM4_CH2);
user_tim_tick_overflow(&TIM4_CH3);
}
}
/******************************************************************************
* 功能：定时器捕获，测频
*****************************************************************************/
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM4)
{
if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_2)
{
user_tim_capture_mark(&TIM4_CH2, HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim4, TIM_CHANNEL_2));
}
if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_3)
{
user_tim_capture_mark(&TIM4_CH3, HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim4, TIM_CHANNEL_3));
}
}
}
200mS一次计算频率
printf("---> TIM4_CH2: %f Hz TIM4_CH3: %f Hz \r\n", user_tim_calculate_frequency(&TIM4_CH2), user_tim_calculate_frequency(&TIM4_CH3));四、测量结果
2Hz：
20Hz：
200Hz：
1KHz：
五、user_tim_measure_frequency.h文件
#ifndef __USER_TIM_MEASURE_FREQUENCY_H
#define __USER_TIM_MEASURE_FREQUENCY_H
/******************************************************************************
*参数：设置最大采集和计算次数，
*****************************************************************************/
#define capture_MAX_times 16 // 最大捕获数据次数
/******************************************************************************
* 参数：测量相关的数据结构体
*****************************************************************************/
typedef struct
{
uint32_t basic_frequency; // 定时器的主频 = 时钟主频/分频
_Bool capture_state; // 输入捕获状态
uint16_t capture_last_value; // 当前捕获值
uint16_t capture_now_value; // 上一次的捕获值
uint8_t capture_count; // 一次计算的捕获次数
uint8_t capture_overflow_time; // 溢出次数
uint32_t capture_total_times; // 捕获总次数
uint8_t data_point; // 数据存储位置
uint16_t pulse_interval_time[capture_MAX_times]; // 脉冲间隔缓冲数组
float frequency; // 计算的频率
} TIM_Capture_Def;
/******************************************************************************
* 功能：置零计算数据
*****************************************************************************/
void user_reset_tim_calculate_data(TIM_Capture_Def *_capture_channel)
{
_capture_channel->capture_state = 0;
_capture_channel->data_point = 0;
_capture_channel->capture_overflow_time = 0;
if (_capture_channel->capture_count >= capture_MAX_times)
{
memset(_capture_channel->pulse_interval_time, 0, capture_MAX_times * sizeof(uint16_t));
}
else
{
memset(_capture_channel->pulse_interval_time, 0, _capture_channel->capture_count * sizeof(uint16_t));
}
_capture_channel->capture_count = 0;
}
/******************************************************************************
* 功能：测频初始化
* 需要输入定时器的主频
* 1、输入定时器主频，用于后续计算频率
* 2、置零数据
*****************************************************************************/
void user_tim_capture_init(TIM_Capture_Def *_capture_channel, uint32_t _timer_basic_frequency)
{
_capture_channel->basic_frequency = _timer_basic_frequency;
user_reset_tim_calculate_data(_capture_channel);
}
/******************************************************************************
* 功能：溢出状态
*****************************************************************************/
void user_tim_tick_overflow(TIM_Capture_Def *_capture_channel)
{
_capture_channel->capture_overflow_time++;
}
/******************************************************************************
* 功能：定时器产生捕获，标记时间同时计算时间间隔 T
* _capture_now_value: 当前捕获值
*****************************************************************************/
void user_tim_capture_mark(TIM_Capture_Def *_capture_channel, uint32_t _capture_now_value)
{
// 0、捕获总次数记录,捕获状态更新
if (_capture_channel->capture_state == 0)
{
_capture_channel->capture_state = 1;
}
_capture_channel->capture_total_times++;
// 1、计算时间间隔
if (_capture_channel->capture_overflow_time == 0) // 无溢出
{
_capture_channel->pulse_interval_time[_capture_channel->data_point] = _capture_now_value - _capture_channel->capture_last_value;
}
else // 有溢出
{
if (_capture_channel->capture_overflow_time == 1) // 溢出一次
{
_capture_channel->pulse_interval_time[_capture_channel->data_point] = _capture_now_value + 65535 - _capture_channel->capture_last_value;
}
else // 溢出多次，这里没做计算，最大取65535
{
_capture_channel->pulse_interval_time[_capture_channel->data_point] = 65535;
}
_capture_channel->capture_overflow_time = 0; // 溢出状态清零
}
// 2、保存上一次状态
_capture_channel->capture_last_value = _capture_now_value;
// 3、指向下一个存储地址,当前次数+1
_capture_channel->data_point++;
_capture_channel->capture_count++;
// 4、位置溢出的情况下，调整为第一个位置，覆盖原有数据
if (_capture_channel->data_point >= capture_MAX_times)
{
_capture_channel->data_point = 0;
}
}
/******************************************************************************
* 功能：计算频率
*****************************************************************************/
float user_tim_calculate_frequency(TIM_Capture_Def *_capture_channel)
{
if (_capture_channel->capture_state) // 捕获到数据
{
// 1、取平均值,先取和，再取平均
uint32_t capture_sum_time = 0;
float _average;
if (_capture_channel->capture_count >= capture_MAX_times) // 一次间隔捕获时间大于 capture_MAX_times 次
{
for (size_t i = 0; i < capture_MAX_times; i++)
{
capture_sum_time += _capture_channel->pulse_interval_time[i];
}
_average = (float)capture_sum_time / capture_MAX_times;
}
else
{
for (size_t i = 0; i < _capture_channel->capture_count; i++)
{
capture_sum_time += _capture_channel->pulse_interval_time[i];
}
_average = (float)capture_sum_time / _capture_channel->capture_count;
}
// printf("---> capture_sum_time: %ld count:%d _average:%f\r\n", capture_sum_time, _capture_channel->capture_count, _average);
// 2、计算频率，f = 主频/(分频*重装值)
_capture_channel->frequency = _capture_channel->basic_frequency / _average;
// 3、归零状态
user_reset_tim_calculate_data(_capture_channel);
// 4、返回计算频率
return _capture_channel->frequency;
}
else // 没有捕获到数据
{
return 0;
}
}
#endif /* __USER_TIM_MEASURE_FREQUENCY_H */六、使用步骤和参数解释
/***********************************************************************************************************************************************************/
步骤1：定义测量对象。
如：TIM_Capture_Def TIM4_CH2, TIM4_CH3;
步骤2：初始化对象。
针对对象，传入定时器主频（用于计算频率）、置零状态和数据。
user_tim_capture_init(&TIM4_CH2, (HAL_RCC_GetPCLK1Freq() * 2) / htim4.Init.Prescaler);
通过系统时钟树得到TIM4 对应的时钟为 PLCK1 x 2
计算频率为 f = 1/T
定时器主频 = APBx外设时钟 / 预分频
T = 定时器主频 / 重装值
f = 1/T = 定时器主频 / 重装值
预分频为根据需求自己设定，这个影响到测频范围。
例如，tim4时钟为108M、预分频为1080、16位重装计数器的条件下，
测量频率 fmax = 0.1M / 1 = 100 KHz
fmin = 0.1M / 65535 = 1.53Hz
根据以上配置，理论可测量 1.53Hz —— 100KHz
因为捕获计时是有抖动误差的，即重装值误差，所以在保证精度的前提下，需要限值最大测量频率。
例，同样相差10个重装值的情况下，在低频时， f = 0.1M / 65530 = 1.52601 Hz 、 f = 0.1M / 65520 = 1.52625 Hz
而在高频时f = 0.1M / 100 = 1000 Hz 、 f = 0.1M / 90 = 1111.11 Hz
减小误差的方法有很多，如平均值、滤波等，需要平衡计算时间等，测量时间越长，结果就越精确。
例如，因为自己需要的测频条件为：范围2Hz —— 100Hz，200mS计算一次频率。所以可以采集到200组数据，取最后16组数据做平均值，重装值误差为1，取1Hz测量误差的条件下，最高可测得1.2KHz
所以在这种情况下，测量范围为1.53Hz —— 1.2KHz
步骤3： 捕获中断中添加标记函数，每捕获到一个上升沿，记录重装值，同时计算上升沿的间隔时间
溢出中断加入溢出标记函数，用于标记重装是否产生溢出
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM4)
{
if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_2)
{
user_tim_capture_mark(&TIM4_CH2, HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim4, TIM_CHANNEL_2));
}
else if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_3)
{
user_tim_capture_mark(&TIM4_CH3, HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim4, TIM_CHANNEL_3));
}
}
}
void user_HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) // 更新中断（溢出）发生时执行
{
if (htim->Instance == TIM4) // 捕获
{
user_tim_tick_overflow(&TIM4_CH2);
user_tim_tick_overflow(&TIM4_CH3);
}
}
步骤4：计算频率 f = 1/T
T为上升沿间隔时间的平均值，可减小误差，这里取16组数据做计算，因为我是测量100Hz内的低频，如果需要根据自己需求提高采集计算次数。
user_tim_calculate_frequency(&TIM4_CH2);
