STM32 HAL库开发学习15. 通用定时器输入捕获

一、通用定时器输入捕获框图

1. 下图是输入捕获在整体框图上的位置

在这里插入图片描述

2. 输入捕获框图

以通道1为例，输入部分框图如下：
在这里插入图片描述
根据信号方向 ， 从左向右对模块解析如下：

（1） 输入信号与滤波（Filter）

  • 输入源：左侧的 TI1 是外部引脚输入（如定时器通道 1 的引脚），fDTS 是定时器的数字滤波时钟（由 TIMx_CR1 的 DTS 位配置）。
  • 滤波模块：filter down-counter 是 数字滤波器，通过 TIMx_CCMR1 的 ICF[3:0] 位配置（设置滤波采样次数和频率，用于消抖或滤除高频噪声）。滤波后输出 TI1F（Filtered TI1 信号）。

（2）边缘检测（Edge Detector）

  • 检测 TI1F 的 上升沿（TI1F_rising） 和 下降沿（TI1F_falling），区分信号的跳变方向。

（3）极性控制与多路选择（上半部分）

  • 多路选择器（MUX1）：由 TIMx_CCER 的 CC1P 位控制（极性选择）：
    • CC1P=0：选择 上升沿（TI1F_rising）；
    • CC1P=1：选择 下降沿（TI1F_falling）（信号反相，检测下降沿）。
  • 输出 TI1F_ED（Edge Detected TI1 信号），送往 从模式控制器（Slave Mode Controller），用于触发定时器的启动、停止或复位（如门控模式、触发模式等）。

（4）跨通道信号与从模式信号（下半部分）

  • 通道 2 信号：TI2F_rising/TI2F_falling 是定时器通道 2 滤波后的边缘信号，可通过另一路 MUX 引入（用于 交叉触发，如通道 1 捕获通道 2 的信号）。
  • 从模式信号（TRC）：来自从模式控制器的内部触发信号（如定时器同步、外部触发的反馈）。

（5）输入源选择与分频（IC1 路径）

  • 多路选择器（IC1 MUX）：由 TIMx_CCMR1 的 CC1S[1:0] 位配置，选择 IC1 的输入源：
    • CC1S=00：禁用输入捕获（通道作为输出比较）；
    • CC1S=01：选择 TI1FP1（通道 1 滤波+边缘检测后的信号）；
    • CC1S=10：选择 TI2FP1（通道 2 滤波+边缘检测后的信号，交叉捕获）；
    • CC1S=11：选择 TRC（从模式控制器的信号，用于同步或触发）。
  • 分频器（Divider）：由 TIMx_CCMR1 的 ICPS[1:0] 位配置，对选中的信号进行 1/2/4/8 分频，输出 IC1PS（分频后的捕获信号），用于控制捕获事件的频率。

（6）使能控制（CC1E）

  • TIMx_CCER 的 CC1E 位是 输入捕获使能位，置 1 时才会激活上述整个输入捕获链路。

3. 捕获/比较通道1主电路

在这里插入图片描述
上图是通道1的寄存器数据流向与模式控制框图。捕获/比较通道采用双缓冲设计，由预装载寄存器供CPU读写，蚊子寄存器供硬件实时操作。具体地，按模块解析如下：

（1）核心结构：双缓冲寄存器（预装载 + 影子）

Capture/Compare Preload Register（预装载寄存器）：
  • CPU 直接读写的寄存器（通过 APB 总线），16 位寄存器分为高 8 位（CCR1H）和低 8 位（CCR1L）。
  • 作用：隔离 CPU 读写与定时器硬件操作，避免实时运行时的冲突。
Capture/Compare Shadow Register（影子寄存器）：
  • 硬件实际使用的寄存器（与计数器、比较器直接交互），不可被 CPU 直接访问。
  • 作用：确保波形生成或捕获操作的 原子性（避免中途被 CPU 改写数据）。

（2）模式切换：输入捕获 vs 输出比较（由 CC1S[1:0] 控制）

输入模式（捕获，CC1S≠00）：

通道作为 输入捕获（如测量脉冲宽度、频率），此时：

  • 外部信号经滤波、边缘检测后，触发 capture 信号。
  • capture 信号将 计数器（CNT）的值 锁存到 影子寄存器，再通过 capture_transfer 传到 预装载寄存器（供 CPU 读取）。
输出模式（比较，CC1S=00）：

通道作为 输出比较（如生成 PWM 波形），此时：

  • CPU 将比较值写入 预装载寄存器，若 OC1PE=1（输出比较预装载使能，TIMx_CCMR1 位），则需等待 更新事件（UEV，来自时基单元） 触发 compare_transfer，将预装载值传到 影子寄存器。
  • 影子寄存器的值与 计数器（CNT） 实时比较（comparator 模块），判断 CNT>CCR 或 CNT=CCR，触发输出电平变化。

（3）捕获触发条件（输入模式）

捕获操作由以下信号触发（逻辑或关系）：

  • ic1ps：前序输入捕获链路的分频后信号（如边缘检测后的触发信号）。
  • CC1E：输入捕获使能位（TIMx_CCER 位，必须置 1 才允许捕获）。
  • CC1G：软件触发位（TIMx_EGR 位，用于手动触发捕获，调试常用）。

（4）比较逻辑（输出模式）

比较器实时判断 计数器（CNT） 与 影子寄存器（CCR） 的关系：

  • CNT > CCR：对应比较模式的 “上溢” 触发（如 PWM 模式的上升沿）。
  • CNT = CCR：对应比较模式的 “匹配” 触发（如 PWM 模式的下降沿）。
    根据配置（TIMx_CCMR1 的输出模式位），触发输出电平翻转、中断或 DMA 请求。

（5）寄存器读写流程

读操作（CPU 读 CCR）：

触发 read_in_progress 时，从 预装载寄存器 读取数据（避免直接读影子寄存器时，硬件正在更新数据导致错误）。

写操作（CPU 写 CCR）：

触发 write_in_progress 时，先写入 预装载寄存器：

  • 若为 输出模式 且 OC1PE=1：需等待 更新事件（UEV） 触发 compare_transfer，才将预装载值传到影子寄存器。
  • 若 OC1PE=0：预装载值会 立即 传到影子寄存器（无缓冲，实时生效，可能引发波形突变）。

二、通用定时器输入捕获脉宽测量原理

1. 核心原理

定时器持续计数（如按固定频率递增），当外部引脚（连接定时器通道）出现预设的电平跳变（如上升沿）时，立即将当前计数值锁存到 “捕获寄存器”。通过两次捕获的计数值之差，即可计算信号的时间特征。

2. 工作流程（以测量周期为例）

假设测量一个方波信号的周期：
第一次捕获（上升沿）：当信号从低→高跳变时，捕获定时器值 t1。
第二次捕获（下一个上升沿）：信号再次上升沿时，捕获定时器值 t2。
计算周期：周期 = t2 - t1（需考虑定时器溢出，需额外处理溢出标志）。

三、配置过程

1. 引脚与复用配置

将 GPIO 配置为 复用功能模式，连接到定时器的输入捕获通道（如 TIM3_CH1 对应 PA6 引脚）。

2. 定时器时基配置

  • 计数频率：由定时器时钟（如 APB 总线时钟）和分频器决定（例：时钟 72MHz，分频器设为 71，则计数频率为 1MHz，即 1 个计数值对应 1μs）。
  • 计数模式：通常用向上计数（从 0 递增到自动重装值后溢出）。

3. 输入捕获模式配置

  • 触发边沿：通过寄存器选择上升沿、下降沿或两者（如TIMx_CCER的CCxP位设置极性）。
  • 捕获预分频：可选 “每 1/2/4/8 个边沿捕获一次”（减少中断频率，如TIMx_CCMRx的ICxPSC位）。
  • 捕获寄存器：如TIMx_CCR1，用于存储捕获的计数值。

4. 中断或 DMA 配置

  • 捕获发生时可触发中断（如TIM_IT_CC1），在中断服务程序中读取TIMx_CCRx的值。
  • 也可配置DMA直接传输捕获值，减少 CPU 负担。

四、CubeMX配置

1. 模式配置

这里选择TIM2：

  • Clock Source：选 Internal Clock（内部时钟驱动定时器）。
  • Channel 1：Mode 设为 Input Capture direct mode（直接输入捕获模式）。
  • Polarity：先设为 Rising Edge（上升沿捕获，后续代码可切换为下降沿，若需测占空比）。
  • Input Filter：根据信号噪声设置（如 0 表示无滤波，或 8 次采样滤波，滤除毛刺）。
    在这里插入图片描述

2. 时基配置

  • Prescaler：分频系数，如 71（使定时器时钟为 72MHz/(71+1) = 1MHz，即 1us/tick）。
  • Counter Period：65535（16 位定时器最大计数值，溢出时间 65536us，若周期更长需处理溢出中断）。
    在这里插入图片描述

3. NVIC 中断配置

勾选 TIM2 global interrupt，设置中断优先级。
在这里插入图片描述

4. 引脚复用设置

在这里插入图片描述

5. 时钟配置

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

五、核心代码

1. TIM2初始化


/**
  * @brief TIM2 Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_TIM2_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN TIM2_Init 0 */

  /* USER CODE END TIM2_Init 0 */

  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
  TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC = {0};

  /* USER CODE BEGIN TIM2_Init 1 */
    HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 1, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
  /* USER CODE END TIM2_Init 1 */
  htim2.Instance = TIM2;
  htim2.Init.Prescaler = 71;
  htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim2.Init.Period = 65535;
  htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  if (HAL_TIM_IC_Init(&htim2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;
  sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
  sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
  sConfigIC.ICFilter = 0;
  if (HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN TIM2_Init 2 */
  /* USER CODE END TIM2_Init 2 */

}

2. 回调函数打印频率

// 输入捕获回调函数实现
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if(htim->Instance == TIM2) {
        static uint32_t prev_value = 0;
        static uint32_t period = 0;
        static float freq_sum = 0.0f; // 存储频率测量值的总和
        static uint16_t capture_count = 0; // 记录捕获次数
        static uint8_t first_capture = 1; // 标记是否为首次捕获

        uint32_t curr_value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);

        if (first_capture) {
            prev_value = curr_value;
            first_capture = 0;
        } else {
            // 计算周期（考虑计数器溢出）
            period = (curr_value > prev_value) ? (curr_value - prev_value)
                                               : (0xFFFF - prev_value + curr_value);

            // 计算频率（单位：Hz）
            float freq = 72000000.0f / (htim2.Init.Prescaler + 1) / period;

            freq_sum += freq; // 累加频率值
            capture_count++; // 捕获次数加 1

            if (capture_count >= 500) {
                float average_freq = freq_sum / 500.0f; // 计算平均频率
                char buffer[50];
                sprintf(buffer, "Average Frequency: %.2fHz\r\n", average_freq);

                // 通过串口发送测量结果
                if (HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buffer, strlen(buffer), HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK) {
                    // 处理发送失败的情况
                    Error_Handler();
                }

                // 重置总和和计数
                freq_sum = 0.0f;
                capture_count = 0;
            }
            prev_value = curr_value;
        }
    }
}

频率计算：
72000000.0f / (htim2.Init.Prescaler + 1) / period
通过PA0注入信号并打印捕获结果：
在这里插入图片描述

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