目录

输入捕获简介

频率测量

测频法

测周法

测频法和测周法的区别

中界频率

如何实现测周法

输入捕获的各部分电路

电路执行的细节

主从触发模式

输入捕获基本结构

PWMI基本结构

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声明：本专栏是本人跟着B站江科大的视频的学习过程中记录下来的笔记，我之所以记录下来是为了方便自己日后复习。如果你也是跟着江科大的视频学习的，可以配套本专栏食用，如有问题可以QQ交流群：963138186

本节来学习定时器的第三部分，就是定时器的输入捕获功能。

输入捕获简介

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（就是上升沿或者下降沿，可以通过程序配置）时，当前CNT的值将被锁存到CCR中（把当前CNT的值读出来写入到CCR中去，这里对应定时器的结构图），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。（脉冲间隔实际和频率是差不多的意思，电平持续时间和占空比差不多）

下图左边这四个就是边沿信号输入引脚，一旦有边沿，比如说上升沿，这一块输入滤波和边沿检测电路就会检测到这个上升沿，让输入捕获电路产生动作。所以这一块的作用和外部中断差不多，都是检测电平跳变，然后执行动作。

只不过外部中断执行的动作是向CPU申请中断，而这里电路执行的动作就是控制后续电路，让当前CNT的值锁存到CCR计算器中。

对比一下输出比较，输出比较时的引脚是输出端口，输入捕获引脚是输入端口。

输出比较是根据CNT和CCR的大小关系来执行输出动作，

输入捕获是接收到输入信号执行CNT锁存到CCR的动作，

这就是输入捕获的执行流程和与输出比较的区别。

如何配置输入捕获电路来测量这些参数，这就是本小节接下来的任务。

每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输入捕获通道

对于输入捕获电路，通用定时器和高级定时器没有区别，都是一样的。基本定时器没有输入捕获的功能。

可配置为PWMI模式，同时测量频率和占空比

这个PWMI模式就是PWM的输入模式，是专门为测量PWM频率和占空比设计的。

可配合主从触发模式，实现硬件全自动测量

主从触发模式，我们也等会儿再详细介绍。

这两个功能结合起来，测量频率占空比，就是硬件全自动执行，软件不需要进行任何干预，也不需要进中断，需要测量的时候，直接读取CCR寄存器就行了，使用非常方便，而且极大的减轻了软件的压力。

接下来有必要先了解一下频率测量的相关知识。

频率测量

图中的波形图越往左频率越高，越往右频率越低。这里信号都是只有高低电平的数字信号。对于STM32测频率而言，它也是只能测量数字信号的。

如果需要测量一个正弦波，还需要搭建一个信号预处理电路，最简单的就是用运放搭一个比较器，把正弦波转换为数字信号，再输入给STM32就行了。

如果测量的信号电压非常高，还要考虑一下隔离的问题，比如用一些隔离放大器、电压互感等软件隔离高压端和低压端，保证电路的安全。

总之，要经过处理，最终输入给STM32的信号得是高低电平信号，高电平3.3V，低电平0伏。

我们来研究一下测量图中波形所示的信号的方法。

首先，为了测量频率，我们有两种方法可以选择。

测频法

第一种是测频法，执行流程是在闸门时间T内对上升沿计次，这里计次下降沿也可以，只是极性不同而已。之后为了方便我们统一以上升沿为一个周期的开始进行描述。

比如我们要测量这一块信号的频率，就可以制定一个闸门时间T，通常设置为一秒。

在一秒时间内对信号上升沿计次，从零开始计，每来一个上升沿计次加一，每来一个上升沿，其实就是来了一个周期的信号。所以在一秒时间内来了多少个周期，它的频率就是多少Hz，这符合频率的基本定义。频率的定义就是一秒内出现了多少个重复的周期。频率就是多少Hz。这种直接按频率定义来进行测量的方法，就叫测频法。

另外这个闸门时间也不是必须为一秒，也可以两秒的闸门时间，计次值除二就是频率，也可以0.5秒的闸门时间，计次乘二也是频率。

测周法

第二种方法是测周法

测周法的基本原理就是周期的倒数就是频率。我们如果能测出一个周期的时间，再取个倒数，不就是频率了吗？我们只要捕获信号的两个上升沿，然后测量一下这之间持续的时间就行了。但实际上我们并没有一个精度无穷大的秒表来测量时间。测量时间的方法，实际上也是定时器计次，我们使用一个已知的标准频率fc的计次时钟来驱动计数器，从一个上升沿开始，从零开始一直计到下一个上升沿停止，计一个数的时间是1/fc，计N个数时间就是N/fc，N/fc就是周期，频率就是再取个倒数就得到了公式fx等于fc除以N。

测频法和测周法的区别

测频法和测周法都是测量频率的重要方法，这两种方法都有什么区别？实际情况使用哪种方法更好？

测频法适合测量高频信号，测周法适合测量低频信号。

这个从以上图里也可以看出来，测频法在闸门时间内最好要多出现一些上升沿计次数量多一些。这样有助于减小误差。假如定了一秒的闸门时间，结果信号频率非常低，一秒的时间才只有寥寥无几的几个上升沿，甚至一个上升沿都没有，在计次N很少时，误差会非常大。所以测频法要求信号频率要稍微高一些。

测周法就要求信号频率低一些。低频信号周期比较长，计次就会比较多，有助于减小误差。否则，比如标准频率fc为1MHz，待测信号频率太高，比如待测信号是500KHz，在一个周期内只能计一两个数，如果待测信号再高一些，甚至一个数也计不到。所以测周法需要待测信号频率低一些。

然后是测频法测量结果更新的慢一些，数值相对稳定。测周法更新的快，数据跳变也非常快。

测频法测量的是在闸门时间内的多个周期，所以它自带一个均值滤波，如果在闸门时间内波形频率有变化，得到的其实是这一段时间的平均频率。如果闸门时间选为一秒，么每隔一秒才能得到一次结果，所以测频法结果更新慢，测量结果是一段时间的平均值，值比较平滑。

测周法只测量一个周期就能出一次结果，所以出结果的速度取决于待测信号的频率。一般而言，待测信号都是几百几千Hz，所以一般情况下，测周法结果更新更快。但是由于它只测量一个周期，所以结果值会受噪声的影响波动比较大。

这就是这两种方法的基本特征对比。

刚才我们说了高频适合使用测频法，低频适合使用测周法，多高算高，多低算低？

这就涉及到中界频率

中界频率

测频法计次和测周法计次，这个计次数量N尽量要大一些，N越大相对误差越小。因为在这些方法中，计次可能会存在正负1误差。

比如测频法，在闸门时间内并不是每个周期信号都是完整的。比如在最后时间里，可能有一个周期，刚出现一半，闸门时间就到了。这只有半个周期，只能舍弃掉，或者当做一整个周期来看。因为计次只有整数，不可能计次零点五个数。在这个过程就会出现多计一个或者少计一个的情况，这就叫做正负1误差。

在测周法也一样，标准频率fc计次，在最后时刻，有可能一个数刚数到一半计时就结束了。这半个数也只能舍弃，或者按一整个数来算了，这里也会出现正负1误差。

所以说正负一误差是这两种方法都固有的误差。要想减小正负一误差的影响，就只能尽量多计一些数。当计次N比较大时，正负1对N的影响就会很小。

所以总结就是N越大正负1误差的影响越小。

当有一个频率，测频法和测周法计次的N相同，就说明误差相同，这就是中界频率。

我们把测频法的N提出来，测周法N也提出来，令这两个方法N相等，把fx解出来，就得到中界频率的公式了。

当待测信号频率小于中界频率时，测周法误差更小，选用测周法更合适。

当待测信号频率大于中界频率时，测频法误差更小，选用测频法更合适。

测频法这个我们用之前学过的外设就可以实现，我们之前写过对射式红外传感器计次、定时器外部时钟这些代码稍加改进，就是测频法。比如对设置红外传感器计次，每来一个上升沿计次加一。我们再用一个定时器定一个一秒的定时中断，在中断里，每隔一秒取下计次值，同时清零计次为下一次做准备。这样每次读取的计次值就直接是频率。用定时器外部时钟的代码也是如此，每隔一秒取下计次，就能实现测频法测量频率的功能。

我们本节输入捕获测频率使用的方法是测周法，就是测量两个上升沿之间的时间来进行频率测量的。

如何实现测周法

接下来我们来研究一下电路如何实现测周法。

我们先回到这个定时器框图，先详细了解一下输入捕获的各部分电路。

输入捕获的各部分电路

从左到右来看，最左边是四个通道的引脚，参考引脚定义表就能知道这个引脚是复用在了哪个位置。

然后引脚进来，有一个三输入的异或门，这个异或门的执行逻辑是当三个输入引脚的任何一个有电平翻转时，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，输入捕获通道1的输入就是三个引脚的异或值。

如果选择下面一个，异或门就没有用，四个通道各用各的引脚。

设计这个异或门其实还是为三相无刷电机服务的。无刷电机有三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。

这时，输入信号来到了输入滤波器和边沿检测器。输入滤波器可以对信号进滤波，避免一些高频的毛刺信号误触发。然后边沿检测器就和外部中断一样，可以选择高电平触发或者低电平触发。当出现指定的电平时，边沿检测电路就会触发后续电路执行动作。

另外，这里它其实是设计了两套滤波和边沿检测电路。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。

第二条电路经过另一个滤波和极性选择得到TI1FP2(TI1 Filter Polarity 2)，输给下面通道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。得到TI2FP1和TI2FP2，其中TI2FP1输给上面，TI2FP2输入给下面。在这里，两个信号进来，可以选择各走各的。也可以选择进行一个交叉，让CH2引脚输入给通道1或者CH1引脚输入给通道2。

这里为什么要进行一个交叉连接？这样做的目的主要有两个：

第一个目的可以灵活切换后续捕获电路的输入。比如一会儿想以CH1作为输入，一会儿想以CH2作为输入。这样就可以通过这个数据选择器灵活的进行选择。

第二个目的也是它交叉的主要目的，就是可以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，后面会详细分析。

一个通道灵活切换两个引脚和两个通道同时捕获一个引脚，这就是这里交叉一下的作用和目的。

同样下面通道三和通道四也是一样的结构，可以选择各自独立连接，也可以选择进行交叉。

另外这里还有个TRC信号也可以选择作为捕获部分的输入。

这个TRC信号是来源于这里的：

这样设计，也是为了无刷电机的驱动，这个知道一下就行了，我们暂时不用。

输入信号进行滤波和极性选择后就来到了预分频器。每个通道各有一个预分频器，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的话，就可以开启这个捕获中断，这就是整个电路的工作流程。

比如我们可以配置上升沿触发捕获，每来一个上升沿，CNT转运到CCR一次。又因为这个CNT计数器是由内部的标准时钟驱动的。所以CNT的数值其实就可以用来记录两个上升沿之间的时间间隔，这个时间间隔就是周期，再取个倒数，就是测周法测量的频率了。

上升沿用于触发输入捕获，CNT用于计数计时，每来一个上升沿取下CNT的值自动存在CCR里，CCR捕获到的值就是计数值N。CNT的驱动时钟就是fc，fc/N就得到了待测信号的频率。

另外这里还有一个细节问题，就每次捕获之后，我们都要把CNT清零一下，这样下次上升沿再捕获的时候，取出的CNT才是两个上升沿的时间间隔。

在一次捕获后，自动将CNT清零的步骤，我们可以用主从触发模式自动来完成，等会儿再详细说。

测频法：定时器中断，并记录捕获次数；

测周法：捕获中断，并记录定时器次数。

到这里输入捕获电路的执行流程和测频率的原理，我们应该已经大概的了解了。

接下来就是执行细节的问题，把电路执行的细节都了解清楚。

电路执行的细节

这是输入捕获通道1的一个更详细的框图

这个框图就是我们刚才个框图的一个细化结构，基本功能都是一样的。

引脚进来先经过一个滤波器。滤波器的输入是TI1，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

这个滤波器具体是怎么工作的？

可以看一下手册，

描述是：这几位定义了TI1输入的采样频率及数字滤波长度。数字滤波器是由一个事件计数器组成，它记录到N个事件后，会产生一个输出的跳变。简单理解这个滤波器工作原理就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，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，采样个数N越大，滤波效果就越好。、

这些就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，用这个CCER寄存器里的CC1P位，就可以选择极性了，最终得到TIFP1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TI1FP2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TI2FP1，连通到通道1的后续，

通道2也还有TI2FP2连通到通道2的后续。

总共是四种连接方式。

然后经过数据选择器，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位可以配置分频器，可以选择不分频，二分频，四分频，八分频。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，经过层层电路到达这里，就可以让这里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。

如何自动清零CNT？

这个TI1FP1信号和TI1的边沿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，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。

所以可以看出，这个从模式就是完成自动化操作的利器。

主从触发模式

接下来我们就来研究一下这个主从触发模式。

主从触发模式有什么用？如何来完成硬件自动化的操作？

主从触发模式手册里并没有这个描述（是B站江科大的up主自己取的名字）。

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。

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，可以认为它是从模式的一部分。触发源选择，选择指定的一个信号，得到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。

如果想完成我们刚才说的任务，想让TI1FP1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，这就是主从触发模式的用途。

有关这些信号的具体解释，可以看看手册。

比如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，这样就能实现定时器的级联了。

还有其他很多高级的功能，都可以用主从触发模式来实现使用非常灵活。

主模式还可以选择复位、使能、比较脉冲和四个OCREF信号作为TRGO的输出。这都是手册里写的，知道有这个功能就型了，不要求记忆。

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

触发从模式后可以执行哪些操作？

从模式选择可以执行这么多的操作：

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的意思），这就是从模式。

主模式、触发源选择、从模式在库函数里非常简单，这三块东西就对应三个函数调用函数给个参数就行了。

接下来我们就来最后理一下思路，把之前的东西组合在一起得到两个图，这两个图也分别对应了我们演示两个代码的逻辑。

输入捕获基本结构

先看第一个输入捕获基本结构。

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。把时际单元配置好，启动定时器，CNT就会在预分频之后的这个时钟驱动下不断自增。

这个CNT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TI1FP1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。

当然这里会有个先后顺序，肯定是得先转运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，CNT的值转移到CCR，同时零转移到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零了，这是这两条路的执行逻辑

然后看一下这个波形图

在这里信号出现一个上升沿，CCR1等于CNT，就是把CNT的值转运到CCR1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，从零开始计数一直加加，直到下一次上升沿来临，然后执行相同的操作CCR等于CNT，CNT，等于零。

注意第二次捕获的时候，CNT就是从这里到这里的计数值

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，CNT从零开始自增，直到下一个上升沿。这时CCR1刷新为第二个周期的计数值，然后不断重复这个过程。

所以当这个电路工作时，CCR1的值始终保持为最新一个周期的计数值。这个计数值就是这里的N

然后fc/N就是信号的频率

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除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。

然后还有几个注意事项说明一下，首先是这里CNT的值是有上限的。ARR一般设置为最大65535。CNT最大也只能计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，在这里看到，只有TI1FP1和TI2FP2没有TI3和TI4的信号。

所以这里如果想使用从模式自动清理CNT，就只能用通道1和通道。

对于通道三和通道四就只能开启捕获中断，在中断里手动清理了。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

接下来第二个图就是PWMI基本结构。

这个PWMI模式使用了两个通道同时捕获一个引脚，可以同时测量周期和占空比。

上面这部分结构和刚才演示的一样，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

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，这时会发生什么？

我们看一下左上角的这个图

最开始上升沿，CCR1捕获，同时清零CNT。之后CNT一直加加，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从这里到这里的计数值，就是高电平期间的计数值。

CCR2捕获并不触发CNT清零，所以CNT继续加，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。

我们用CCR2除以CCR1是不是就是占空比了吗！

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，因为是两个通道同时捕获第一个引脚的输入，所以通道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。

我们本节的内容在手册里主要对应这两节：输入捕获模式和PWM输入模式。可以自己取看看。

本节的内容到这里就结束了，下节来学习输入捕获的代码部分。

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