MCU微課堂

CKS32F107xx TIM（三）

第四十八期 2024.11.08

PWM輸入捕獲

上節課我們介紹了高級定時器互補PWM輸出的配置方法，這節課我們將向大家介紹高級定時器的另一個常見應用——PWM輸入模式。在本節課中，我們將先圍繞輸入捕獲模式展開，并重點描述PWM輸入模式和涉及的寄存器，最后通過一個實驗例程去介紹PWM輸入模式的配置方法。

輸入捕獲模式簡介

1、普通輸入模式

除基本定時器外，其余定時器的部分通道都可以對輸入信號的上升沿、下降沿或者雙邊沿進行捕獲，并且計數器CNT的值會被鎖存到捕獲/比較寄存器CCR中。當我們需要同時捕獲PWM波的頻率和占空比時，僅需要測出一個周期中高電平和低電平持續的時間即可。我們可嘗試如下步驟：首先將定時器的某一通道初始設置為上升沿捕獲，當發生第一次捕獲到上升沿的中斷，以此中斷時刻作為一個起點，讀取CCR中值為Value1，此時將捕獲模式設置為下降沿捕獲，在發生第二次中斷的時候，捕獲到了下降沿，讀取CCR中值為Value2，那么Value2和Value1之間的差值，就是一個周期中高電平持續的時間，然后我們在中斷中又將捕獲的方式設置為上升沿捕獲，那么在第三次產生中斷的時候，讀取CCR中值為Value3，那么Value3和Value2之間的差值就是一個周期中低電平的時間。至此，PWM波的頻率可由Value3和Value1之間的差值計算出，正占空比則可通過高電平占整個周期的比值獲得。如下圖1所示：

圖1 普通輸入捕獲概覽圖

2、PWM輸入模式

PWM輸入模式是普通輸入模式的一種特例，以輸入通道TI1為例，PWM信號進入該通道后，信號被分成TI1FP1和TI1FP2兩路，最終分別映射到了IC1和IC2捕獲通道，其中一個捕獲上升沿，另一個捕獲下降沿。這樣用戶可以在中斷中去讀上升沿和下降沿對應寄存器中的計數，從而得出周期和占空比。并且用戶在設計之初，需要先選定哪一路為觸發信號以及觸發極性，一旦選定某一路為觸發信號則對應的即為周期，另一路則對應為占空比，兩路捕獲極性也是相反的，并且因為是PWM輸入捕獲的緣故，當其中一路配置完成，另一路由硬件自動配置，無需軟件來配置。圖2為PWM輸入模式時序圖。

圖2 PWM輸入模式時序圖

其中，IC1捕獲通道計算兩次都是上升沿的時間，即周期T；而IC2通道則計算一次下降沿和之前上升沿之差，這樣得到高電平時長，從而可以求得周期T和占空比。需要注意的是，PWM輸入模式需要占用兩個捕獲寄存器，且只有TI1FP1和TI2FP2連接到了從模式控制器（使用PWM輸入捕獲時，需要配置從模式控制器為復位模式），所以只能使用定時器的通道1或通道2。

寄存器和輸入捕獲結構體概述

1、捕獲/比較寄存器CCMR

關于CCMR寄存器，上節課我們介紹了輸出比較模式，這節課我們來介紹下輸入捕獲模式，該寄存器的各位描述圖如下：

圖3 CCMR1寄存器各位描述圖

該16位寄存器CCMR的下層對應輸入捕獲（上層對應輸出比較），其中CCMR1用于捕獲通道1和2的控制，CCMR2用于捕獲通道3和4的控制。下圖為低8位詳細描述圖，用于捕獲通道1。

圖4 CCMR1寄存器低7位描述圖

參數CC1S，用于輸入捕獲/輸出比較通道的引腳選擇，若我們設置CCIS[1:0] = 01，表明CC1通道（對應定時器的通道1）被配置為輸入，IC1映射在TI1上。

參數IC1PSC，配置為00時，表明每1個邊沿觸發1次捕獲。

參數IC1F，用來設置TI1輸入采樣頻率和數字濾波器長度，本課中我們不做濾波處理。

2、捕獲/比較使能寄存器CCER

在本課中我們僅用到低2位CC1E和CC1P，由于我們需要在中斷中處理捕獲的數據，所以配置CC1E為1，CC1P配置為不反相，故設置為0。CCER低2位圖如下描述。

圖5 CCMR1寄存器低7位描述圖

3、輸入捕獲結構體TIM_ICInitTypeDef

可配合TIM_PWMIConfig函數完成定時器輸入通道各參數的初始化配置。輸入捕獲結構體的各參數定義如下：

typedef struct

{

uint16_t TIM_Channel;
uint16_t TIM_ICPolarity;
uint16_t TIM_ICSelection;
uint16_t TIM_ICPrescaler;
uint16_t TIM_ICFilter;

} TIM_ICInitTypeDef;

1）參數TIM_Channel：設定CCMRx寄存器CCxS位，用于捕獲通道ICx選擇。

2）參數TIM_ICPolarity：設定CCER寄存器CCxP位和CCxNP位，用于輸入捕獲邊沿觸發選擇。

3）參數TIM_ICSelection：設定CCRMx寄存器的CCxS[1:0]位，用于輸入通道選擇，輸入通道共有三個來源，分別為：TIM_ICSelection_DirectTI、TIM_ICSelection_IndirectTI或TIM_ICSelection_TRC。若為普通輸入模式，4個通道均能使用；若為PWM輸入模式，只能使用通道1和2。輸入通道和捕獲通道的映射關系詳見下圖。

圖6 輸入通道和捕獲通道的映射關系

4）參數TIM_ ICPrescaler：設定CCMRx寄存器的ICxPSC[1:0]位的值，用來設置輸入捕獲分頻系數，有1、2、4、8分頻可選。這里我們需要捕獲輸入信號的每個有效邊沿，故設置為1分頻即可。

5）參數TIM_ ICFilter：設定CCMRx寄存器ICxF[3:0]位，用于設置輸入捕獲濾波器。

本課中我們配置的示例代碼如下：

TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;

TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0;

TIM_PWMIConfig(TIM1, &TIM_ICInitStructure);

上述代碼中，我們設置定時器的通道1為上升沿捕獲，且輸入通道1（TI1）與捕獲通道1（IC1）為直接映射，不分頻，不使用濾波器。

PWM模式輸入配置實驗

本實驗配置高級定時器的通道1，即PA8，用于捕獲信號發生器輸出PWM信號，最后通過串口調試助手打印捕獲到的PWM的頻率和占空比。主要的編程要點如下。

1、高級定時器引腳初始化

由于TIM1_CH1是連接在PA8上，這里需要開啟GPIOA時鐘，并配置引腳為浮空輸入，我們配置的代碼如下：

void TIM1_GPIO_Configuration(void)

{

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

}

2、高級定時器中斷優先級設置

之前的課程中讓我們對中斷優先級已經有了深入了解，這里因為我們只有一個捕獲/比較中斷源，所以優先級隨便設置，我們配置的代碼如下：

void TIM1_NVIC_Configuration(void)

{

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0);

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM1_CC_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

3、高級定時器PWM輸入模式配置

我們主要對時基和輸入捕獲結構體初始化，配置代碼如下：

void TIM1_Input_Capture_Mode_Configuration(void)

{

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);

/* Time Base Configuration */

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 65535-1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72-1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;

TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);

/* PWM Input Capture Configuration */

TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0;

TIM_PWMIConfig(TIM1, &TIM_ICInitStructure);

TIM_SelectInputTrigger(TIM1, TIM_TS_TI1FP1);

TIM_SelectSlaveMode(TIM1, TIM_SlaveMode_Reset);

TIM_SelectMasterSlaveMode(TIM1,TIM_MasterSlaveMode_Enable);

TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_CC1, ENABLE);

TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_CC1);

TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);

}

從上述示例代碼來看，我們首先將TIM1_CH1的捕獲計數器設置為1us計數一次，重裝載值為65535，所以可以捕獲的時間精度為1us，最低可捕獲的頻率為15.3Hz。其次，我們選擇TIM1的通道1（TI1）作為PWM信號輸入，并選擇TI1FP1為觸發信號（輸入的信號被分為TI1FP1和TI1FP2），因此IC1捕獲PWM信號周期，IC2捕獲PWM信號占空比。而且由于PWM輸入模式下，當捕獲開始時，需要將CNT復位，所以我們需要配置定時器以從模式工作在復位模式下，最后使能捕獲中斷和高級定時器。

4、高級定時器中斷服務函數配置

在函數TIM1_CC_IRQHandler中，如果是第一個上升沿中斷，計數器CNT會被復位，鎖存到CCR1寄存器的值是0，CCR2寄存器的值也是0，無法計算頻率和占空比。當第二次上升沿到來的時候，CCR1和CCR2捕獲到的才是有效的值。其中CCR1對應的是周期，CCR2對應的是占空比。我們配置的代碼如下：

void TIM1_CC_IRQHandler(void)

{

TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_CC1);

IC1Value = TIM_GetCapture1(TIM1);

IC2Value = TIM_GetCapture2(TIM1);

if (IC1Value != 0)

{

DutyCycle = (float)((IC2Value+1) * 100) / (IC1Value+1);

Frequency = (72000000/((72-1)+1))/(float)(IC1Value+1);

printf("占空比：%0.2f%% 頻率：%0.2fHz ", DutyCycle, Frequency);

}

else

{

DutyCycle = 0;

Frequency = 0;

}

}

5、主函數配置

main函數就是對上述函數的調用，配置示例如下：

int main(void)

{

CKS_USART_Init();

printf("CKS Timer Input Capture Demo start running... ");

TIM1_GPIO_Configuration();

TIM1_NVIC_Configuration();

TIM1_Input_Capture_Mode_Configuration();

while(1){}

}

至此，我們配置已完成。

6、下載驗證

我們將編譯好的程序下載至CKS32F107xx開發板，信號發生器和PWM輸入引腳PA8通過杜邦線連接，USB轉TTL模塊分別與UART1—PA9和電腦相連，然后打開串口調試助手，查看打印信息。