1. 基本概念

输入捕获是嵌入式系统中定时器的重要功能，用于精确记录外部信号边沿（上升沿或下降沿）发生的时刻。通过捕获两次边沿事件的时间差，可测量脉冲宽度、周期、频率等参数。

2. 工作原理

• 定时器核心

定时器以固定频率（由时钟源和预分频器决定）递增/递减计数。

• 捕获触发

当检测到指定边沿（如上升沿）时，当前计数值自动存入捕获寄存器（CCR），并可触发中断。

• 数据处理

通过两次捕获值的差值计算时间间隔，结合定时器时钟频率得出实际时间。

3. 典型应用场景

• 脉冲宽度测量

捕获信号上升沿和下降沿的时刻，差值即为脉宽。

• 频率测量

捕获相邻两个上升沿的时间差，倒数即为频率。

• 编码器信号处理

测量旋转编码器的脉冲间隔，计算转速或位置。

• 超声波测距

记录超声波发射与回波的时间差，计算距离。

4. 关键配置步骤

以STM32为例，配置输入捕获的流程如下：

步骤1：初始化定时器

• 时钟源选择

内部时钟（如APB总线时钟）或外部时钟。

• 预分频器（PSC）

调整定时器时钟频率，控制计数速度和分辨率。

• 自动重装载值（ARR）

定义计数器溢出周期，影响最大可测量时间。

示例代码（HAL库）：

TIM_HandleTypeDef htim;
htim.Instance = TIM2;                  // 选择定时器2
htim.Init.Prescaler = 71;             // 预分频72（72MHz → 1MHz）
htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 递增计数
htim.Init.Period = 0xFFFF;            // ARR=65535（16位最大值）
HAL_TIM_IC_Init(&htim);

步骤2：配置输入捕获通道

• GPIO设置

将引脚配置为复用功能，映射到定时器输入通道。

• 边沿触发

选择上升沿、下降沿或双边沿触发。

• 输入滤波

设置滤波器（如采样频率）抑制噪声干扰。

示例代码：

TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC;
sConfigIC.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; // 上升沿触发
sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; // 直接输入通道
sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;      // 无预分频
sConfigIC.ICFilter = 0x0;                    // 无滤波
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1);

步骤3：启用捕获与中断

• 启动捕获

使能定时器及输入捕获通道。

• 中断配置

开启捕获完成中断，处理数据读取与计算。

示例代码：

HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim, TIM_CHANNEL_1); // 启动捕获并启用中断

步骤4：中断服务程序

在中断中读取捕获值，并计算时间参数。

示例代码：

void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    static uint32_t first_value = 0;
    static uint32_t pulse_width = 0;
    
    if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1) {
        if (is_first_capture) { // 首次捕获上升沿
            first_value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
            // 切换为下降沿触发
            __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_FALLING);
            is_first_capture = 0;
        } else { // 捕获下降沿
            pulse_width = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1) - first_value;
            // 切换回上升沿，准备下一次测量
            __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_RISING);
            is_first_capture = 1;
        }
    }
}

5. 注意事项与优化

• 溢出处理

若两次捕获间计数器溢出，需记录溢出次数。总时间计算为：总时间=(溢出次数×(ARR+1)+ΔCCR)×时钟周期总时间=(溢出次数×(ARR+1)+ΔCCR)×时钟周期

• 分辨率与量程

• 提高时钟频率（减小预分频）可提升分辨率，但缩短最大测量时间。
• 增大ARR值可扩展量程，但降低分辨率。
• 抗干扰设计
• 启用输入滤波器（如设置ICFilter参数）抑制噪声。
• 在软件中通过多次测量取平均提高稳定性。
• DMA应用

对于高频信号，使用DMA自动传输捕获值，减少CPU中断负担。

6. 常见问题解决

• 信号抖动

增加硬件滤波（RC电路）或软件去抖。

• 测量误差

校准定时器时钟源，或补偿中断延迟。

• 溢出未处理

在中断中检查溢出标志并计数，确保长时间测量的准确性。

7. 总结

输入捕获是嵌入式系统中实现高精度时间测量的核心技术，需合理配置定时器参数、处理中断与溢出，并结合抗干扰措施以确保可靠性。掌握其原理与实现方法，可广泛应用于传感器信号处理、电机控制、通信协议解析等领域。