STM32C542开发(5)----定时器配置输入捕获测量频率
STM32C542开发.5--定时器配置输入捕获测量频率
概述
在前面的实验中，已经使用 TIM1 生成 PWM 输出，并通过修改 PSC、ARR 和 CCR 实现了 PWM 频率和占空比控制。本篇文章继续在此基础上，使用 TIM15 输入捕获功能 对 TIM1 输出的 PWM 信号进行测量，从而实现频率和占空比检测。
需要样片的可以加群申请：925643491 / 615061293 。
视频教学
https://www.bilibili.com/video/BV1J6T56oEKy/
样品申请
https://www.wjx.top/vm/OhcKxJk.aspx#
源码下载
https://download.csdn.net/download/qq_24312945/93058804
硬件准备
首先需要准备一个开发板，这里我准备的是自己绘制的开发板，需要的可以进行申请。
主控为STM32C542CCT6
参考程序
https://github.com/CoreMaker-lab/STM32C542_SENSOR
https://gitee.com/CoreMaker/STM32C542_SENSOR
串口配置
查看原理图，PA9和PA10设置为开发板的串口。
- 在左侧 Peripherals 中选择 Connectivity → USART1
- Mode 选择 Async，表示配置为异步串口模式
- Function used by the component 显示为 UART，说明 USART1 在异步模式下使用 UART HAL 驱动
- 串口参数配置为：115200 波特率、8 位数据位、无校验、1 位停止位、收发模式
- GPIO Tx：USART1_TX 选择 PA9
- GPIO Rx：USART1_RX 选择 PA10
- PA9 / PA10 均配置为 Alternate 复用功能模式
- Pull 选择 No pull-up and no pull-down，Output type 选择 Push pull，Speed 选择 Low
TIM1基础参数
使用PA7去捕获PA5的PWM信号。
先确认 TIM15 的输入时钟频率，如果时钟频率判断错误，最终计算出来的 PWM 频率也会不准确。这里 TIM15 Clock = 144 MHz
在 STM32CubeMX2 中进入 Timers → TIM15 配置页面，并使能 TIM15 外设。
本文没有直接在 STM32CubeMX2 中固定 Prescaler 和 Counter period，而是在代码中进行配置。这样后续修改测量精度和测量范围时更加方便。
完成 TIM15 基础参数配置后，接下来需要配置 TIM15_CH1 输入捕获通道。本文使用 TIM15_CH1 捕获 TIM1 输出的 PWM 信号，并通过捕获到的上升沿和下降沿计算频率和占空比。
其中，Channel direction 选择 Input，表示 TIM15_CH1 作为输入捕获通道使用。Input capture source 选择 Input capture direct mode，表示捕获信号直接来自 TIM15_CH1 对应的输入引脚。本文中 TIM15_CH1 映射到 PA7，因此外部 PWM 信号需要输入到 PA7 引脚。
Prescaler 选择 ÷1，表示每一个有效捕获边沿都会触发捕获事件，不对输入捕获事件进行分频。这样可以保证每个 PWM 边沿都能够被 TIM15 捕获。
Filter 选择 No filter。本实验中 TIM1 输出 PWM 后直接通过杜邦线连接到 TIM15_CH1，信号相对干净，因此不需要额外滤波。如果后续测量外部噪声较大的信号，可以根据实际情况开启输入滤波。
本实验最关键的配置是：
Polarity：Both edges
这表示 TIM15_CH1 会同时捕获输入 PWM 的上升沿和下降沿。这样只需要一个输入捕获通道，就可以同时测量 PWM 的周期和高电平时间。
测量逻辑如下：
上升沿 -> 保存周期起点
下降沿 -> 保存高电平结束点
下一次上升沿 -> 计算完整周期
其中：
上升沿到下一次上升沿的时间 = PWM 周期 period
上升沿到下降沿的时间 = 高电平时间 high
因此可以得到：
频率 = TIM15_COUNTER_HZ / period
占空比 = high / period × 100%
在代码中，TIM15_CH1 配置为 Both edges 后，每次捕获中断都会进入 HAL_TIM_InputCaptureCallback()。为了区分当前捕获的是上升沿还是下降沿，程序会读取 PA7 当前电平：
pin_level = (GPIOA->IDR & GPIO_IDR_ID7);
如果 PA7 当前为高电平，说明刚刚发生的是上升沿；如果 PA7 当前为低电平，说明刚刚发生的是下降沿。通过这种方式，程序就可以在一个输入捕获通道上同时完成频率和占空比测量。
完成 TIM15_CH1 输入捕获通道配置后，还需要确认 TIM15 的高级功能配置。本文只是使用 TIM15_CH1 对外部 PWM 信号进行输入捕获测量，因此大部分高级功能保持默认即可。
其中，Update event generation 保持 Enabled。这表示 TIM15 允许产生更新事件。更新事件通常与计数器溢出、重新装载等动作有关。本文虽然主要使用输入捕获功能，但保持更新事件使能即可，不需要额外修改。
Update event source 选择 Regular，表示使用常规更新事件来源。对于本文的输入捕获测频实验来说，这里保持默认配置即可。
完成 TIM15_CH1 输入捕获通道配置后，还需要检查 TIM15 对应的 GPIO 和中断配置。本文使用 TIM15_CH1 捕获 TIM1 输出的 PWM 信号，因此需要确认 TIM15_CH1 已经正确映射到 PA7，并且 TIM15 中断已经使能。
因为本文使用的是输入捕获中断方式，当 PA7 检测到 PWM 的上升沿或下降沿时，TIM15 会触发输入捕获事件，并进入 HAL_TIM_InputCaptureCallback() 回调函数。
如果这里没有开启 TIM15 的 Global interrupt，即使 TIM15_CH1 配置正确，也无法进入输入捕获回调函数，程序就无法计算频率和占空比。
本文中 TIM15_CH1 配置为 Both edges，因此上升沿和下降沿都会触发输入捕获中断。程序在回调函数中读取捕获值，并通过 PA7 当前电平判断本次捕获的是上升沿还是下降沿，最终计算 PWM 的周期、高电平时间、频率和占空比。
设置工程编码
- 在 Project Explorer 中选中当前工程
- 点击菜单栏 Project
- 选择 Properties，进入工程属性设置
- 在工程属性中选择 Resource
- Text file encoding 选择 Other
- 编码格式输入 GBK
- 点击 Apply and Close 保存设置
初始配置
初始配置修改如下状态。
/**
* brief: The application entry point.
* retval: none but we specify int to comply with C99 standard
*/
int main(void)
{
/** System Init: this code placed in targets folder initializes your system.
* It calls the initialization (and sets the initial configuration) of the peripherals.
* You can use STM32CubeMX to generate and call this code or not in this project.
* It also contains the HAL initialization and the initial clock configuration.
*/
if (mx_system_init() != SYSTEM_OK)
{
return (-1);
}
else
{
/*
* You can start your application code here
*/
/*
* TIM1_CH1 -> PB8
* TIM1_CH3 -> PA5
*
* 当前配置：
* TIM1_CLK = 144 MHz
* ARR = 9999
*/
/*
* 设置 PWM 频率为 1Hz
*
* PWM频率 = 144MHz / ((PSC + 1) * (ARR + 1))
* ARR = 9999
* 当 freq = 1Hz 时，PSC = 14399
*/
if (TIM1_SetFrequency(1) != HAL_OK)
{
printf("TIM1_SetFrequency failed\r\n");
}
/*
* 设置多通道占空比
*
* CH1 = 25%
* CH3 = 75%
*/
if (TIM1_SetChannelDuty(HAL_TIM_CHANNEL_1, TIM1_PWM_ARR, 25) != HAL_OK)
{
printf("TIM1 CH1 duty set failed\r\n");
}
if (TIM1_SetChannelDuty(HAL_TIM_CHANNEL_3, TIM1_PWM_ARR, 75) != HAL_OK)
{
printf("TIM1 CH3 duty set failed\r\n");
}
/*
* 启动 TIM1 CH1 和 CH3 PWM 输出
*/
if (TIM1_PWM_Start_CH1_CH3() != HAL_OK)
{
printf("TIM1 PWM start failed\r\n");
}
printf("TIM1 PWM: 1000Hz, CH1=25%%, CH3=75%%\r\n");
/*
* 设置 TIM1 PWM 频率为 1000Hz
*
* TIM1_CLK = 144MHz
* ARR = 999
* PSC = 143
*
* PWM频率 = 144MHz / ((143 + 1) * (999 + 1))
* = 1000Hz
*/
TIM1_SetFrequency(1000);
/*
* CH1 输出 25% 占空比
* CH3 输出 75% 占空比
*/
TIM1_SetChannelDuty(HAL_TIM_CHANNEL_1, TIM1_PWM_ARR, 25);
TIM1_SetChannelDuty(HAL_TIM_CHANNEL_3, TIM1_PWM_ARR, 75);
HAL_Delay(5000);
while (1)
{
}
}
} /* end main */
添加头文件
在 main.c 中添加头文件
#include "mx_usart1.h"
#include <string.h>
printf 重定向
为了让 printf() 输出到 USART1，需要重写 _write() 函数。GCC 工程中，printf() 底层会调用 _write() 输出字符，因此只需要在 _write() 中调用 HAL_UART_Transmit()，就可以把 printf() 的内容通过串口发送出去。
int _write(int file, char *ptr, int len)
{
hal_uart_handle_t *huart1 = mx_usart1_uart_gethandle();
if (huart1 != NULL)
{
HAL_UART_Transmit(huart1, ptr, len, 1000);
}
return len;
}
TIM15 计数频率配置
TIM15_CLK_HZ：TIM15 输入时钟频率，这里为 144 MHz
TIM15_COUNTER_HZ：希望 TIM15 的计数频率为 1 MHz
TIM15_PRINT_INTERVAL：每累计 50 次测量后打印一次结果
#define TIM15_CLK_HZ 144000000UL
#define TIM15_COUNTER_HZ 1000000UL
#define TIM15_PRINT_INTERVAL 50U
为了让 TIM15 计数频率变成 1 MHz，需要设置 Prescaler：
#define TIM15_PSC ((TIM15_CLK_HZ / TIM15_COUNTER_HZ) - 1U)
#define TIM15_ARR 0xFFFFU
计算过程如下：
TIM15 计数频率 = TIM15_CLK_HZ / (PSC + 1)
TIM15_CLK_HZ = 144 MHz
TIM15_COUNTER_HZ = 1 MHz
PSC = 144,000,000 / 1,000,000 - 1
= 143
因此，当 TIM15_PSC = 143 时，TIM15 的计数频率为 1 MHz，也就是：
1 个计数 = 1 us
这样在测量 PWM 信号时非常方便。例如输入 PWM 为 1000 Hz，则周期为 1 ms，也就是 1000 us，理论上 TIM15 两次上升沿之间的捕获差值约为 1000。
捕获变量说明
代码中定义了一组变量，用于保存上升沿、下降沿和测量结果这些变量的作用如下：
tim15_rise_last：上一次上升沿捕获值
tim15_rise_now：当前上升沿捕获值
tim15_fall_now：当前下降沿捕获值
tim15_period_count：PWM 周期计数值
tim15_high_count：PWM 高电平计数值
tim15_print_freq：准备打印的频率
tim15_print_duty_x10：准备打印的占空比，放大 10 倍
tim15_print_period：准备打印的周期计数值
tim15_print_high：准备打印的高电平计数值
tim15_print_flag：打印标志位
tim15_rise_valid：上升沿捕获有效标志
tim15_fall_valid：下降沿捕获有效标志
tim15_measure_count：测量次数计数
static volatile uint32_t tim15_rise_last = 0;
static volatile uint32_t tim15_rise_now = 0;
static volatile uint32_t tim15_fall_now = 0;
static volatile uint32_t tim15_period_count = 0;
static volatile uint32_t tim15_high_count = 0;
static volatile uint32_t tim15_print_freq = 0;
static volatile uint32_t tim15_print_duty_x10 = 0;
static volatile uint32_t tim15_print_period = 0;
static volatile uint32_t tim15_print_high = 0;
static volatile uint8_t tim15_print_flag = 0;
static volatile uint8_t tim15_rise_valid = 0;
static volatile uint8_t tim15_fall_valid = 0;
static volatile uint32_t tim15_measure_count = 0;
处理计数器溢出
由于 TIM15 是 16 位计数器，Counter period 设置为 0xFFFF，计数器从 0 计数到 65535 后会重新回到 0。
因此，两次捕获值相减时需要考虑溢出情况。代码中封装了 TIM15_GetDiff() 函数
static uint32_t TIM15_GetDiff(uint32_t start, uint32_t end)
{
if (end >= start)
{
return end - start;
}
else
{
return (TIM15_ARR + 1U - start) + end;
}
}
本文没有在 STM32CubeMX2 中固定 TIM15 的 Prescaler 和 Counter period，而是在代码中通过 HAL2 函数动态配置 。
这个函数主要完成三件事：
- 使用 HAL_TIM_SetPrescaler() 设置 TIM15_PSC
- 使用 HAL_TIM_SetPeriod() 设置 TIM15_ARR
- 使用 HAL_TIM_SetCounter() 将 TIM15 计数器清零
static hal_status_t TIM15_IC_SetPSC_ARR(uint32_t psc, uint32_t arr)
{
hal_tim_handle_t* htim15 = mx_tim15_gethandle();
if (htim15 == NULL)
{
return HAL_ERROR;
}
if (HAL_TIM_SetPrescaler(htim15, psc) != HAL_OK)
{
return HAL_ERROR;
}
if (HAL_TIM_SetPeriod(htim15, arr) != HAL_OK)
{
return HAL_ERROR;
}
if (HAL_TIM_SetCounter(htim15, 0) != HAL_OK)
{
return HAL_ERROR;
}
return HAL_OK;
}
启动输入捕获中断
完成 TIM15 基础参数配置后，需要启动 TIM15_CH1 输入捕获中断 。
- HAL_TIM_IC_StartChannel_IT()：启动 TIM15_CH1 输入捕获中断
- HAL_TIM_Start()：启动 TIM15 计数器
static hal_status_t TIM15_IC_Start(void)
{
hal_tim_handle_t* htim15 = mx_tim15_gethandle();
if (htim15 == NULL)
{
return HAL_ERROR;
}
/*
* 鍚姩 TIM15_CH1 杈撳叆鎹曡幏涓柇
*/
if (HAL_TIM_IC_StartChannel_IT(htim15, HAL_TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
{
return HAL_ERROR;
}
/*
* 鍚姩 TIM15 璁℃暟鍣�
*/
if (HAL_TIM_Start(htim15) != HAL_OK)
{
return HAL_ERROR;
}
return HAL_OK;
}
输入捕获回调函数
TIM15_CH1 在 STM32CubeMX2 中配置为 Both edges，也就是上升沿和下降沿都会触发输入捕获中断。
由于 TIM15_CH1 配置为 Both edges，所以同一个回调函数既会响应上升沿，也会响应下降沿。为了判断当前捕获的是上升沿还是下降沿，代码中读取 PA7 当前电平：
pin_level = (GPIOA->IDR & GPIO_IDR_ID7);
判断逻辑如下：
如果 PA7 当前为高电平，说明刚刚发生的是上升沿
如果 PA7 当前为低电平，说明刚刚发生的是下降沿
void HAL_TIM_InputCaptureCallback(hal_tim_handle_t* htim, hal_tim_channel_t channel)
{
uint32_t capture_value;
uint32_t period;
uint32_t high;
uint32_t freq;
uint32_t duty_x10;
uint32_t pin_level;
if ((htim != mx_tim15_gethandle()) || (channel != HAL_TIM_CHANNEL_1))
{
return;
}
capture_value = HAL_TIM_IC_ReadChannelCapturedValue(htim, HAL_TIM_CHANNEL_1);
/*
* 读取 PA7 当前电平：
* 如果当前为高电平，说明刚刚发生的是上升沿；
* 如果当前为低电平，说明刚刚发生的是下降沿。
*/
pin_level = (GPIOA->IDR & GPIO_IDR_ID7);
if (pin_level != 0U)
{
/*
* 上升沿
*/
if (tim15_rise_valid == 0U)
{
tim15_rise_last = capture_value;
tim15_rise_valid = 1U;
tim15_fall_valid = 0U;
}
else
{
tim15_rise_now = capture_value;
period = TIM15_GetDiff(tim15_rise_last, tim15_rise_now);
if ((period != 0U) && (tim15_fall_valid != 0U))
{
high = TIM15_GetDiff(tim15_rise_last, tim15_fall_now);
if (high <= period)
{
freq = TIM15_COUNTER_HZ / period;
/*
* duty_x10 放大 10 倍，方便打印一位小数
* 例如 253 表示 25.3%
*/
duty_x10 = (high * 1000U) / period;
tim15_period_count = period;
tim15_high_count = high;
tim15_measure_count++;
if (tim15_measure_count >= TIM15_PRINT_INTERVAL)
{
tim15_measure_count = 0;
tim15_print_freq = freq;
tim15_print_duty_x10 = duty_x10;
tim15_print_period = period;
tim15_print_high = high;
tim15_print_flag = 1;
}
}
}
tim15_rise_last = tim15_rise_now;
tim15_fall_valid = 0U;
}
}
else
{
/*
* 下降沿
*/
if (tim15_rise_valid != 0U)
{
tim15_fall_now = capture_value;
tim15_fall_valid = 1U;
}
}
}
增加 TIM15 初始化和启动
你的 main() 里，在启动 TIM1 PWM 后面增加 TIM15：
/*
*
* 硬件连接：
* PA5 接 PA7
*/
if (TIM15_IC_SetPSC_ARR(TIM15_PSC, TIM15_ARR) != HAL_OK)
{
printf("TIM15 IC set PSC/ARR failed\r\n");
}
if (TIM15_IC_Start() != HAL_OK)
{
printf("TIM15 IC start failed\r\n");
}
主循环
在 while(1) 中，程序判断 tim15_print_flag 是否置位。
while (1)
{
if (tim15_print_flag)
{
uint32_t freq;
uint32_t duty_x10;
uint32_t period;
uint32_t high;
__disable_irq();
tim15_print_flag = 0;
freq = tim15_print_freq;
duty_x10 = tim15_print_duty_x10;
period = tim15_print_period;
high = tim15_print_high;
__enable_irq();
printf("TIM15 measured: freq=%lu Hz, duty=%lu.%lu%%, period=%lu, high=%lu\r\n",
freq,
duty_x10 / 10U,
duty_x10 % 10U,
period,
high);
}
}
这里先关闭中断，是为了防止主循环读取变量时，中断刚好更新这些变量，导致读取到一半新数据、一半旧数据。
读取完成后重新打开中断，再通过串口打印：
freq：测量到的 PWM 频率
duty：测量到的 PWM 占空比
period：一个周期对应的计数值
high：高电平对应的计数值
如果输入信号为 1000 Hz、25% 占空比，理论打印结果接近：
TIM15 measured: freq=1000 Hz, duty=25.0%, period=1000, high=250
如果输入信号为 1000 Hz、75% 占空比，理论打印结果接近：
TIM15 measured: freq=1000 Hz, duty=75.0%, period=1000, high=750
演示结果
检测到的频率逻辑分析仪和串口打印基本上都是1025Hz，正占空比为75%。
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