【自学嵌入式：stm32单片机】TIM捕获输入
TIM捕获输入
IC（Input Capture）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、脉冲间隔、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
- 可配置为PWMI模式（PWM的输入模式），同时测量频率和占空比
- 可配合主从触发模式，实现硬件全自动测量
对于同一个定时器输入捕获和输出比较只能用一个，不能都开启
主从触发+PWMI是硬件触发
频率测量
测频法是平均频率，结果平滑，测周法容易受到噪声影响
高频适合使用测频法，低频适合使用测周法
中界频率是，测频法与测周法误差相等的频率点
当待测信号小于中界频率时，测周法误差更小
当待测信号大于中界频率时，测频法误差更小
输入捕获的各部分电路
最左侧是四个通道的引脚，参考引脚定义就能知道它们复用在哪个位置，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，当输入引脚的任何有电平翻转时，输出引脚就产生一次电平翻转，之后输出通过数据选择器，到达输入捕获通道1，数据选择器如果选择上面一个，如下图：
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，那异或门就没有用，4个通道各用各的引脚，设计这个异或门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，
【注】
无刷电机相关基础概念
什么是无刷电机
电机转动的核心是利用磁场“推拉”力（比如磁铁和通电线圈之间的吸引/排斥）
传统“有刷电机”中：转动的“转子”是线圈，固定的“定子”是磁铁；线圈转动时靠“碳刷”滑动供电，碳刷易磨损、噪音大、寿命短
无刷电机则相反：固定的“定子”是线圈（不动，可直接接线通电），转动的“转子”是磁铁（动），无需碳刷，因此更耐用、噪音小、效率高（如电动车、无人机常用）
什么是无刷电机的霍尔传感器
无刷电机需要知道转子（磁铁）的位置，才能让定子线圈“适时”通电（否则可能卡住或反转）
霍尔传感器相当于“磁场探测器”，是对磁场敏感的小元件，装在定子上
转子（磁铁）转动时，磁场会变化，霍尔传感器能通过这种变化检测出转子的位置（比如“转到30度”“转到180度”），并把位置信息传给电机控制器
什么是无刷电机换相
换相指“切换不同线圈通电”的过程，是电机持续转动的关键
无刷电机定子通常有3组线圈（A、B、C相，类似三个“电磁铁”）
控制器根据霍尔传感器的位置信息，控制线圈通电：转子在位置1时给A相通电，位置2时关A相、开B相，位置3时关B相、开C相，循环切换
通过这样的换相，线圈产生的磁场能持续“推/拉”转子，让电机一直转动（若不换相，只给一个线圈通电，转子转半圈就会被吸住不动）
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，然后边沿检测器和外部中断是一样的，可以选择高电平触发或者低电平触发，当出现指定电平时，边沿检测电路就会触发后续电路执行动作
它这里设计了两套边沿检测电路，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），输入给下面通道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，交叉连接可以灵活切换后续捕获电路的输入，比如一会想以CH1作为输入，一会想以CH2作为输入，它的主要目的是把一个引脚的输入，同时映射到两个捕获单元，这也是PWMI模式的经典结构。
第一个捕获通道，使用上升沿触发，用来捕获周期
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
这就是PWMI模式
同样下面的通道3和通道4是一样的结构，可以选择各自独立连接，也可以选择进行交叉
图中的TRC信号也可以选择作为捕获部分的输入，这个TRC信号来源如下图：
这个设计也是为了驱动无刷电机
输入信号进行滤波和极性选择后，就来到了预分频器，预分频器，每个通道各有一个，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捕获电路进行工作了，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，就可以开启这个捕获中断，CNT是内部标准时钟驱动的，可以捕获两个上升沿的时间间隔，这个时间间隔就是周期
输入捕获通道
引脚进来，还是先经过一个滤波器，滤波器的输入是TI1，也就是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寄存器里的ICF位可以控制滤波器的参数
简单理解就是，这个滤波器工作原理是，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，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，采样介数N越大，滤波效果就越好，图中那些描述（ICF位的值）是每个参数对应的采样频率和采样个数，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
滤波之后的信号通过边沿检测器捕获上升沿或者下降沿，用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，当然这里实际应该还有一套一样的电路，得到T1FP2触发信号，连通到通道2的后续电路，这里并没有画出来，同样，通道2有T2FP1，连通到通道1的后续，通道2也还有T2FP2，连通到通道2的后续
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，就可以让CNT的值转运到CCR里面来，每捕获一次CNT的值，都要把CNT清零一下，以便于下一次的捕获，在这里硬件电路就可以在捕获之后自动完成CNT的清零工作
TI1PF1信号和TI1F_ED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，那通过这里，TI1FP1还可以同时触发从模式，这个从模式里面，就有电路，可以自动完成CNT的清零
主从触发模式
主从触发模式，就是主模式、从模式和触发源选择这三个功能的简称，其中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.
【注】STM32的定时器中的TRGO（触发输出）信号是一个非常有用的功能，它允许定时器在特定事件发生时发送一个信号，这个信号可以用来触发其他外设，如ADC（模数转换器）、DAC（数模转换器）或其他定时器。这种机制在需要精确同步多个操作时非常有用。
从模式就是接收其他外设或者自身外设的一些信号，用于控制自身定时器的运行，也就是被别的信号控制，所以这部分叫从模式，触发源选择，就是选择从模式的触发信号源的，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，选择一项操作来自动执行，如果想让T1FP1信号自动触发CNT清零，那触发源选择，就可以选中这里的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，从模式自动清零CNT，实现硬件全自动测量
比如你想实现定时器的级联，就可以选择一个定时器主模式输出更新信号到TRGO，另一个定时器选择上一个定时器触发从模式，从模式选择执行外部时钟模式1的操作，这样就能实现级联了
然后主模式还可以选择复位、使能、比较脉冲
这里有从模式触发源的可选信号，可以选择这些信号去触发从模式，触发从模式后的操作如下：
比如我们本节会使用到复位模式，执行的操作就是，选中触发输入的上升沿重新初始化计数器，也就是清零CNT，
输入捕获基本结构
这个结构，我们只使用了一个通道，所以它目前只能测量频率，在右上角这里，是时基单元，我们把时基单元配置好，启动定时器，那这个CNT，就会在预分频之后的这个时钟驱动下，不断自增，这个CNTT，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TI11FP1为上升沿触发，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里，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清零，这里有先后顺序，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，GNT的值转移到CCR，同时0转移到CNT里面去，总之，肯定不会是先清零，再捕获，要不然捕获值肯定都是0了
在这里，信号出现一个上升沿，CCR1=CNT，就是把CNT的值转运到CCRQ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
然后在一个周期之内，CNT在标准时钟的驱动下，不断自增，并且由于之前清零过了，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，第二次捕获的时候。CNT就是两个上升沿之间间隔的计数值，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
所以当这个电路工作值，CCR1时钟保持最新的这个计数值，这个计数值就是频率测量的计次N，所以当我们想要读取信号的频率时，只需要读取CCR1得到N，再计算fc/N就行了，当我们不需要读取的时候，整个电路全自动的测量，不需要占用任何软件资源，CNT的值是有上限的，ARR一般设置为最大65535，那CNT最大也只能记65535个数，如果信号频率太低，CNT计数值可能会溢出，另外还有就是，这个从模式的触发源选择，如下图
在这里看到，只有TI1FP1和TI2FP2，没有TI3和I14的信号，所以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，在中断里手动清零了，不过这样，程序就会处于频繁中断的状态，比较消耗软件资源。
PWMI基本结构
PWMI使用两个通道同时捕获一个引脚，可以同时测量周期和占空比
上面结构和刚才的输入捕获基本结构一样，下面这里多了一个通道：
首先，TI1FP1配置上升沿触发，触发捕获和清零CNT，正常地捕获周期，这时我们再来一个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
最开始上升沿，CCR1捕获，同时清零CNT，之后CNT一直++
然后，在下降沿这个时刻，触发CCR2捕获，所以这时CCR2的值，就是CNT从一个上升沿到一个下降沿的计数值，就是高电平期间的计数值，如下：
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，则占空比为CCR2/CCR1，这就是PWMI模式，使用两个通道来捕获频率和占空比的思路
另外，也可以两个通道同时捕第一个引脚的输入，这样通道2的前面这一部分就没有用到，当然也可以配置两个通道同时捕获第二个引脚的输入，这样我们就是使用TI2FP1和TI2FP2这两个引脚了，这两个输入可以灵活切换
浙公网安备 33010602011771号