STM32输入捕获详解

目录

一、引言

二、输入捕获原理

三、寄存器介绍

四、配置步骤 

1.开启时钟

2.GPIO 初始化

3.初始化定时器

4.配置输入捕获模式

5.使能捕获和更新中断

6.设置中断分组并编写中断服务函数

 7.使能定时器

五、程序示例

六、总结

一、引言

        在嵌入式系统开发中，STM32 系列微控制器因其强大的性能和丰富的功能被广泛应用。其中，输入捕获功能是 STM32 定时器的一个重要特性，它可以用来测量外部信号的周期、频率和占空比等参数，在电机控制、速度测量、通信同步等众多领域都有着重要的应用。本文将详细介绍 STM32 的输入捕获功能，包括其原理、配置步骤以及程序示例。

二、输入捕获原理

STM32 的输入捕获，简单来说就是通过检测 TIMx_CHx 上的边沿信号，在边沿信号发生跳变（比如上升沿/下降沿/上升沿和下降沿均触发）的时候，将当前定时器计数器的值（TIMx_CNT）存放到对应的通道的捕获/比较寄存器（TIMx_CCRx）里面，完成一次捕获。同时还可以配置捕获时是否触发中断或 DMA 等操作。

例如，我们要测量一个高电平脉冲的宽度，首先设置定时器通道为上升沿捕获，在上升沿到来时，会捕获到当前的 TIMx_CNT 值，然后立即清零 TIMx_CNT，并设置通道为下降沿捕获，当下降沿到来时，又会发生捕获事件，得到此时的 TIMx_CNT 值。这样，前后两次 TIMx_CNT 的差值，就是高电平的脉宽。如果脉宽比较长，定时器可能会产生多次溢出，这就需要我们对定时器溢出进行处理，以保证测量结果的准确性。

三、寄存器介绍

  1. TIMx_ARR：自动重装载寄存器，用来设置定时器的计数周期。当定时器计数器的值达到 ARR 的值时，会重新从 0 开始计数。
  2. TIMx_PSC：预分频寄存器，用于对定时器的时钟源进行分频，以得到合适的计数频率。
  3. TIMx_CCMR1：捕获/比较模式寄存器 1，用于配置输入捕获的通道方向、触发极性、输入分频等参数。
  4. TIMx_CCER：捕获/比较使能寄存器，用来使能或禁止捕获/比较通道的输入捕获功能。
  5. TIMx_DIER：DMA/中断使能寄存器，用于开启或关闭捕获/比较通道的中断或 DMA 请求。
  6. TIMx_CR1：控制寄存器 1，用于控制定时器的启动、停止、计数模式等。
  7. TIMx_CCR1：捕获/比较寄存器 1，用来存储捕获发生时的 TIMx_CNT 值。

四、配置步骤 

以下是以 STM32F4 为例，配置输入捕获的一般步骤：

1.开启时钟

  • 开启定时器的时钟。例如，如果要使用 TIM5，需要调用 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE) 来使能 TIM5 的时钟。
  • 开启对应 GPIO 引脚的时钟。例如，如果捕获信号连接到 PA0 引脚，需要调用 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE) 来使能 GPIOA 的时钟。

2.GPIO 初始化

  • 将捕获信号对应的 GPIO 引脚配置为复用功能。例如，如果使用 TIM5 的通道 1 捕获信号，且信号连接到 PA0 引脚，需要将 PA0 引脚配置为复用功能，并设置复用功能为 AF2（具体的复用功能值根据芯片手册确定）。
  • 根据需要配置 GPIO 引脚的上拉、下拉电阻等。

 

3.初始化定时器

        设置 TIM_TimeBaseInitTypeDef 结构体的参数，包括自动重装载值 TIM_Period、预分频值 TIM_Prescaler、计数模式 TIM_CounterMode 等。例如，如果要设置定时器的计数周期为 1000，预分频值为 7199（使得定时器的计数频率为 10kHz），计数模式为向上计数，可以这样设置：

 如果需要，可以设置定时器的重复计数器值 TIM_RepetitionCounter，该参数在高级定时器中使用较多。

4.配置输入捕获模式

        设置 TIM_ICInitTypeDef 结构体的参数，包括捕获通道 TIM_Channel、触发极性 TIM_ICPolarity、输入选择 TIM_ICSelection、输入分频 TIM_ICPrescaler、输入滤波 TIM_ICFilter 等。例如，如果要配置 TIM5 的通道 1 为上升沿捕获，不分频，不滤波，可以这样设置：

IM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure;
TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;
TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);

5.使能捕获和更新中断

如果需要在捕获事件发生时产生中断，需要调用 TIM_ITConfig 函数开启捕获中断和更新中断。例如：

TIM_ITConfig(TIMx, TIM_IT_Update | TIM_IT_CC1, ENABLE);

6.设置中断分组并编写中断服务函数

设置中断分组，通常使用 NVIC_Init 函数来完成。中断分组的设置决定了中断的优先级。

在中断服务函数中，需要判断中断类型，并进行相应的数据处理。例如，如果是捕获中断，需要读取捕获寄存器的值；如果是更新中断，可能需要处理定时器溢出等情况。以下是一个简单的中断服务函数示例：

void TIMx_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIMx, TIM_IT_Update)!= RESET)
    {
        // 处理更新中断
    }
    if (TIM_GetITStatus(TIMx, TIM_IT_CC1)!= RESET)
    {
        // 处理捕获中断
        // 读取捕获寄存器的值，进行数据处理
        uint16_t captureValue = TIM_GetCapture1(TIMx);
        // 清除中断标志位
        TIM_ClearITPendingBit(TIMx, TIM_IT_CC1 | TIM_IT_Update);
    }
}

 7.使能定时器

调用 TIM_Cmd 函数使能定时器，开始输入捕获。例如：

TIM_Cmd(TIMx, ENABLE);

 

五、程序示例

以下是一个完整的 STM32 输入捕获程序示例，用于测量 PA0 引脚上输入信号的高电平脉宽，并通过串口打印结果：

#include "stm32f4xx.h"
#include <stdio.h>

// 定义捕获状态和捕获值变量
volatile uint8_t TIM5CH1_CAPTURE_STA = 0;
volatile uint16_t TIM5CH1_CAPTURE_VAL = 0;

// 定时器 5 中断服务函数
void TIM5_IRQHandler(void)
{
    if ((TIM5CH1_CAPTURE_STA & 0X80) == 0) // 还未成功捕获
    {
        if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update)!= RESET) // 检测是否发生更新中断
        {
            if (TIM5CH1_CAPTURE_STA & 0X40) // 已经捕获到高电平
            {
                if ((TIM5CH1_CAPTURE_STA & 0X3F) == 0X3F) // 定时器溢出
                {
                    TIM5CH1_CAPTURE_STA |= 0X80; // 标记为成功捕获
                    TIM5CH1_CAPTURE_VAL = 0XFFFF;
                }
                else
                {
                    TIM5CH1_CAPTURE_STA++; // 对溢出次数进行计数
                }
            }
        }
        if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1)!= RESET) // 判断是否发生捕获事件
        {
            if (TIM5CH1_CAPTURE_STA & 0X40) // 如果已经捕获到上升沿
            {
                // 捕获到下降沿，计算脉宽
                TIM5CH1_CAPTURE_VAL = TIM_GetCapture1(TIM5);
                TIM5CH1_CAPTURE_STA |= 0X80; // 标记为成功捕获
            }
            else
            {
                // 捕获到上升沿，记录当前定时器值，并设置为下降沿捕获
                TIM_SetCounter(TIM5, 0);
                TIM5CH1_CAPTURE_STA = 0X40;
                TIM_OC1PolarityConfig(TIM5, TIM_ICPolarity_Falling);
            }
        }
    }
    // 清除中断标志位
    TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC1 | TIM_IT_Update);
}

int main(void)
{
    // 开启 TIM5 和 GPIOA 时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // GPIOA 引脚初始化
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 连接 PA0 到 TIM5 的通道 1
    GPIO_PinAFConfig(GPIOA, GPIO_PinSource0, GPIO_AF_TIM5);

    // 定时器 5 初始化
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7199;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 输入捕获配置
    TIM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure;
    TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
    TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
    TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;
    TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);

    // 使能捕获和更新中断
    TIM_ITConfig(TIM5, TIM_IT_Update | TIM_IT_CC1, ENABLE);

    // 设置中断分组
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    // 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM5, ENABLE);

    while (1)
    {
        if (TIM5CH1_CAPTURE_STA & 0X80)
        {
            // 计算高电平脉宽
            uint32_t pulseWidth = (TIM5CH1_CAPTURE_STA & 0X3F) * 65536 + TIM5CH1_CAPTURE_VAL;
            // 打印结果
            printf("高电平脉宽：%d us\n", pulseWidth);
            // 清除捕获状态
            TIM5CH1_CAPTURE_STA = 0;
        }
    }
}

在上述程序中，首先初始化了定时器和 GPIO 引脚，配置了输入捕获模式和中断。在中断服务函数中，根据上升沿和下降沿的捕获情况，记录定时器的值并计算高电平脉宽。在主循环中，不断检查是否成功捕获到高电平脉宽，并打印结果。

六、总结

        STM32 的输入捕获功能是一个非常强大的工具，可以帮助我们准确地测量外部信号的参数。通过合理地配置定时器和相关寄存器，以及编写中断服务函数，我们可以轻松地实现输入捕获功能。在实际应用中，我们需要根据具体的需求选择合适的定时器和捕获通道，并注意处理定时器溢出等情况，以保证测量结果的准确性。希望本文对大家理解和使用 STM32 的输入捕获功能有所帮助。

 

 

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