STM32cubemx定时外部模式测量10M以上频率

本文讲解利用定时器的外部时钟功能，巧妙测量高频外部信号频率。范围可以到高达30M以上。

所需工具：

• 开发板:STM32F103RCT6
• STM32CubeMX
• IDE: Keil-MDK

原理讲解

定时器的时钟

我们在正常使用TIM定时器的时候，在cubemx里面的时钟树里，随便点击配置，就可以选择好定时器的时钟。比如下面这个情况：

通过时钟树，给挂在APB2时钟上的定时器，提供了72M的时钟。内部是如何产生时钟的呢，我们这里不用关心，不在本文讨论范围，只要知道有一个72M的时钟输入给了定时器TIM作为时钟源。

形象一点说，是一个72M、占空比50%、高电平3.3V、低电平0V的PWM输入给了定时器。每当定时器检测到PWM的上升沿时，就会在CNT计数值寄存器中加一。

下面我们举例说明，有一个1k的内部时钟，输入给定时器。如下图

当TIM检测到时钟的上升沿的时候，CNT寄存器就会加一。我们知道，当CNT计算到ARR寄存器里面存放的自动重装载值的时候，就会归零。如果ARR为1000。那么CNT的计数值成如下关系：

因为内部时钟是1khz，CNT寄存器每1ms增加1，当计数到1000时，满足ARR的值，就会重新开始装载。

很好，现在开动我们的小脑筋。假如我们并不知道内部时钟是多少。我们可以如何通过CNT得知它的频率呢？

读者可以在这打住，想一下这个问题应该如何解决。后面会揭晓答案。

我们可以先将ARR值，设置的足够大，比如65536吧，避免计数值达到ARR后，重新装载从0计数。我们可以每1秒去读取CNT的值，读取出当前的值后，把CNT寄存器清零，重新开始计数。可以想象，每隔1秒读出来的CNT就是1秒内，定时器收到的内部时钟上升沿，上升沿的个数不就是时钟频率嘛！（呕吼~~狂喜）当前例子下，可以想象每次读取出来都是1000。

有了这个思路，我们不就可以测量定时器时钟源的频率吗？要是这个时钟源可以选择外部信号就好了，通过IO口引脚输入给定时器作为时钟源。欸！巧了，定时器还真有外部时钟引脚！

定时器的外部时钟

下图是从参考手册中，截取的定时器框图：

TIMX_EXR就是外部时钟引脚，如果你看到这个框图犯嘀咕，好麻烦啊，其他都是什么乱七八糟的方框、旁边的ITR0、TRC是干什么的？不用担心，我们来对图进行一下化简：

定时器引出一个引脚，这个引脚对应着一个IO口，我们把外部的PWM信号，输入给这个引脚：TIMx_EXR。pwm信号输入到上升沿检测中后，再连接CNT寄存器，对每个上升沿进行计数加一。

现在我们把ARR设置为65536，ETR引脚外接60k的PWM信号。每1秒去读取CNT寄存器的计数数值，读取完成后清空。可以想象，每次读取出来CNT都是60000，对应着这一秒内，CNT检测到60k个上升沿，PWM频率为60k。

可是！如果频率超过65536hz，CNT计数值打到ARR后自动清零，我们不就读不到数据了嘛？欲知后事如何，且听下节分说。

突破频率

CNT达到ARR后，确实会更新，从零计数。不过，会产生定时器中断嘛。我们可以定义一个变量COUNT，当中断产生时，变量就加一，这个变量便表明，记录了多少个轮回，有多少个ARR。

假设：ARR为50k，外部输入PWM频率为10.001M。我们每1秒读取时，会读取到COUNT为2000，CNT寄存器值为1000。那么可以推算出来PWM频率为：
$$ARR\ast COUNT+CNT=50000\ast 2000+1000=10.001M$$
需要注意的是，每次读取后，不光要清空CNT寄存器，还需要清空COUNT变量。

工程建立

时钟树

定时器配置

本例程使用到两个定时器。首先是定时器2，时钟源选择外部时钟。

可以看到PA0便是定时器2对应的外部时钟引脚，我们后面只需要把外部PWM信号，连接到PA0，就可以测量频率了。

开启定时器2的中断，用来在计数值超过65536时，产生更新中断，在中断中对变量进行加一，表明此时计数了一个周期。

定时器3用来产生1s的中断，每隔一秒在中断中读取当前频率。

串口配置

代码生成

代码编写

串口重定向

在usart.c靠末尾的地方，编写下面函数

#include <stdio.h>

int fputc(int ch, FILE *f)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}

int fgetc(FILE *f)
{
  uint8_t ch = 0;
  HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}

在main.c中，包含头文件：

#include "stdio.h"

脉冲计数

首先定义用来计数的变量，变量含义在注释中说明。

uint32_t FQ; // 用来存放频率

uint16_t CNT_2 = 0; // 超出65536位后 用这个记录超过的次数
uint16_t CNT_1 = 0; // 0-65536内用这个记录

接着开启定时器2和3。

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3); // 启动定时器3进行1S定时

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); // 启动定时器2进行外部脉冲计数

因为定时器2、3开启有先后顺序，所以第一次测量到的频率不能使用

接下来便是本文的重要部分，读取计数值：

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim == (&htim3)) // 定时器中断1S触发一次
    {
        CNT_1 = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2); // 读取CNT计数值
        //		CNT_1 = TIM2->CNT;// 读取CNT寄存器这样也可以
        FQ = CNT_1 + CNT_2 * (__HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim2) + 1); // 获取频率值
        __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2, 0);// 设置CNT为0
        printf("cnt:%u\n", FQ); // 打印频率值   1S打印一次
        CNT_1 = 0;  
        CNT_2 = 0; 
    }
    if (htim == (&htim2)) // 计数值计满，产生更新中断
    {
        CNT_2++; // 记满后，+1，标志多了一个满量程数
    }
}

此处的频率计算公式如下：
$$FQ=CN{T}_1+CN{T}_2\ast (65535+1)$$

__HAL_TIM_GET_AUTORELOAD(&htim2)读取的是TIM2的ARR寄存器值，因为计数都是从0开始，所以要加一。比如ARR为999，从0计算到999，实际计算了999+1次。

硬件连接

引脚	连接对象	释义
PA0	信号发生器的正极	TIM2的外部时钟引脚
GND	信号发生器的负极	供地

因为我的开发板板载ch340，这里并不需要外接ch340串口助手。

运行结果

信号发生器产生12M的方波信号，0-3.3V。串口信息如下：

可以看到，cnt成功测量出来了外接信号的频率，误差0.004%。

实际上，因为定时器内部的边沿检测部分存在，定时不光可以测量PWM信号的频率，还可以直接测量正弦、三角波等频率，幅度也不一定要0-3.3V！

比如我测量一个1M，1V-2V的三角波：

正如前面所提到的，刚开始运行时，前两个数据是不能用的，需要扔掉，后续测量出来信号频率是999957hz，误差0.0043%。

如下是我测试出来的，能测量频率的不同波形、不同幅度的信号。

• 方波（8M以内的极限值，再往上，高电平尽量高，低电平尽量低）
  • 高电平1.6——3V（3.3是上限，建议用3V以内）
  • 低电平-200mv——1.3v。
• 正弦（1M以内）
  • 高电平1.7V——3V
  • 低电平-200mv——1.3v
• 三角（1k以内）
  • 高电平1.7V——3V
  • 低电平-200mv——1.3v

下表是我用H750测试出来的表单，H7的测试精度略高于F1

频率	误差
1k	0
10k	0
1M	22
10M	212
15M	317
我的信号发生器发不出更高的	————

练习

1. 复现本文例程，测量不同幅值频率下，方波、正弦等波形的信号频率。
2. 该方法的测量范围高，但是测量时间长，有没有办法略微牺牲精度，换取更快的频率测量？

后记

本文章收录于：

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配套程序：

STM32cubemx定时外部模式测量10M以上频率例程 gitee