电机控制基础2——定时器捕获单输入脉冲原理

上篇介绍了定时器的输出功能，本篇介绍定时器的输入功能。

1 问题引出

在单片机与嵌入式开发中，某些场景需要捕获传感器的高电平（或低电平）信号的持续时间，如红外解码信号、编码器输入信号等。

如下图，以单一的一段高电平输入信号为例，如何测量这段高电平的时间呢？

从直观上理解，就是要不断的检测这个信号，当信号从0变到1时，记录一个时间，再从1变到0时，记录另一个时间，两个时间差就是高电平的持续时间了。那具体要怎么编程呢？这就要用到定时器了。

2 定时器的捕获原理

上篇介绍了定时器的输出功能，本篇是利用定时器的输入功能，来计算脉冲时长。如下图：

• 定时器的CNT计数器在不停的计数

• 首先配置定时器的输入通道为上升沿捕获，这样当检测到从0到1的跳变时，CCR1就会先保存当前的CNT值，同时CNT会清零重新开始计数

• 然后将定时器的输入通道为下降沿捕获，当检测从1到0的跳变时，CCR2就会先保存当前的CNT值

• 在这期间，CNT的计数值可能会溢出，这不影响，记录下溢出的次数，并重新开始计数即可

• 最终，t2-t1的高电平时间，就可以通过N次的溢出时间加CCR2保存的时间来计算获得了

3 定时器常用的寄存器

上篇介绍了定时器输出PWM时用到的几个寄存器（CR、CCMR、CNT、PSC、ARR、CCR等），这里再介绍几个捕获信号时需要用到的几个寄存器：

3.1 捕获/比较模式寄存器CCMR1

CCMR寄存器上篇已有介绍，只是上篇仅介绍了输出模式下的功能，本篇再介绍一下它在输入模式下的功能：

这些通道可用于输入（捕获模式）或输出（比较模式）模式。通道方向通过配置相应的 CCxS 位进行定义。此寄存器的所有其它位在输入模式和输出模式下的功能均不同。对于任一给定位

• OCxx 用于说明通道配置为输出时该位对应的功能

• ICxx 则用于说明通道配置为输入时 该位对应的功能

因此，必须注意同一个位在输入阶段和输出阶段具有不同的含义。

这里仅先介绍输入模式下的功能：

• 位 15:12 IC2F：输入捕获 2 滤波器 (Input capture 2 filter)

• 位 11:10 IC2PSC[1:0]：输入捕获 2 预分频器 (Input capture 2 prescaler)

• 位 9:8 CC2S：捕获/比较 2 选择 (Capture/compare 2 selection) 用法参照下面的CC1S通道1

• 位 7:4 IC1F：输入捕获 1 滤波器 (Input capture 1 filter)

  数字滤波器由事件计数器组成，每 N 个事件才视为一个有效边沿：

  • 0000：无滤波器

  • 0001~1111：其它频率的滤波器

• 位 3:2 IC1PSC：输入捕获 1 预分频器 (Input capture 1 prescaler)

  此位域定义 CC1 输入 (IC1) 的预分频比。只要 CC1E=0（TIMx_CCER 寄存器），预分频器便立即复位。

  • 00：无预分频器，捕获输入上每检测到一个边沿便执行捕获

  • 01~11：每发生 2 （4、8）个事件便执行一次捕获

• 位 1:0 CC1S：捕获/比较 1 选择 (Capture/Compare 1 selection)，此位域定义通道方向（输入/输出）以及所使用的输入。

  • 00：CC1 通道配置为输出

  • 01：CC1 通道配置为输入，IC1 映射到 TI1 上

  • 10：CC1 通道配置为输入，IC1 映射到 TI2 上

  • 11：CC1 通道配置为输入，IC1 映射到 TRC 上。此模式仅在通过 TS 位（TIMx_SMCR 寄存器）选择内部触发输入时有效

注： 仅当通道关闭时（TIMx_CCER 中的 CC1E = 0），才可向 CC1S 位写入数据。

3.2 捕获/比较使能寄存器CCER

我们要用到这个寄存器的最低 2 位， CC1E 和 CC1P。

• 位 15、11、7、3 CCxNP：捕获 /比较x 输出极性 (Capture/Comparex output Polarity)。

  • CCx 通道配置为输出： CCxNP 必须保持清零。

  • CCx 通道配置为输入：此位与 CCxP 配合使用，用以定义 TI1FP1/TI2FP1 的极性。请参见 CCxP 说明。

• 位 14、10、6、2 保留，必须保持复位值。

• 位 13、9、5、1 CCxP：捕获 /比较x 输出极性 (Capture/Comparex output Polarity)。

  • 00：非反相/上升沿触发 电路对 TIxFP1 上升沿敏感 （在复位模式、外部时钟模式或触发模式下执行捕获或触发操作）， TIxFP1 未反相 （在门控模式或编码器模式下执行触发操作）。

  • 01：反相/下降沿触发 电路对 TIxFP1 下降沿敏感 （在复位模式、外部时钟模式或触发模式下执行捕获或触发操作）， TIxFP1 反相 （在门控模式或编码器模式下执行触发操作）。

  • 10：保留，不使用此配置。

  • 11：非反相/上升沿和下降沿均触发 电路对 TIxFP1 上升沿和下降沿都敏感（在复位模式、外部时钟模式或触发模式下执行捕获或触发操作），TIxFP1 未反相（在门控模式下执行触发操作）。编码器模式下不得使用此配置。

  • 0：OCx 高电平有效

  • 1：OCx低电平有效

  • CCx 通道配置为输出：

  • CCx 通道配置为输入：

    CCxNP/CCxP 位可针对触发或捕获操作选择 TI1FP1 和 TI2FP1 的极性。

• 位 12、8、4、0 CCxE：捕获 /比较 x 输出使能 (Capture/Comparex output enable)。

  • 0：禁止捕获

  • 1：使能捕获

  • 0：关闭––OCx 未激活

  • 1：开启––在相应输出引脚上输出 OCx信号

  • CCx 通道配置为输出：

  • CCx 通道配置为输入：

    此位决定了是否可以实际将计数器值捕获到输入捕获/比较寄存器 1 (TIMx_CCR1) 中。

3.3 DMA/中断使能寄存器DIER

我们需要用到中断来处理捕获数据，所以必须开启通道 1 的捕获比较中断，即 CC1IE 设置为 1 。

• 位 15、13、7、5 保留，必须保持复位值。

• 位 14 TDE：触发 DMA 请求使能 (Trigger DMA request enable)

• 位 12~位9 CCxDE：捕获/比较x DMA 请求使能 (Capture/Compare 1 DMA request enable)

• 位 8 UDE：更新 DMA 请求使能 (Update DMA request enable)

• 位 6 TIE：触发信号(TRGI)中断使能 (Trigger interrupt enable)

• 位 4~位1 CCxIE：捕获/比较x 中断使能 (Capture/Compare 1 interrupt enable)

• 位 0 UIE：更新中断使能 (Update interrupt enable)

4 编程

4.1 定时器初始化

4.1.1 GPIO初始化

这里用到的是定时器5的通道1，根据STM32F407的数据手册“3 Pinouts and pin description”中的“Table 9. Alternate function mapping”复用引脚说明表，可以看到定时器5通道1对应的引脚位A0，所以使用A0作为信号的输入引脚。

因此程序中对A0引脚可以这样配置，注意一定要配置引脚的复用功能：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;      /*GPIO 结构体*/
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); //使能PORTA时钟 

/*输入信号的GPIO初始化*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;      //GPIOA0
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;    /*复用功能*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;   //推挽复用输出
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN;   /*下拉*/
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);        //初始化PA0

GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource0,GPIO_AF_TIM5); //PA0复用位定时器5

4.1.2 时基初始化

使用定时器，时基初始化是必不可少的，就是要设置一些计数的频率与溢出值（自动重装载值）：

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; /*时基 结构体*/

/*时基初始化*/
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;   /* 自动重装载值 */
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc; /* 定时器分频 */
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM5,&TIM_TimeBaseStructure);

4.1.3 输入通道初始化

将定时器的通道1设置为输入捕获模式：

TIM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure;    /*输入通道 结构体*/

/*输入通道初始化，初始化TIM5输入捕获参数*/
TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;        //CC1S=01 选择输入端 IC1映射到TI1上
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; /* 上升沿捕获 */
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到TI1上
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;     //配置输入分频,不分频 
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;            //IC1F=0000 配置输入滤波器 不滤波
TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);

TIM_ITConfig(TIM5,TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1,ENABLE); /* 允许更新(溢出)中断 ,允许CC1IE捕获中断 */ 

TIM_Cmd(TIM5,ENABLE ); //使能定时器5

• 关于配置CCMR1、CCER寄存器

CCMR1:

CCER:

TIM_ICInit函数对应于输入通道的初始化，其实就是操作CCMR1、CCER寄存器：

void TIM_ICInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_ICInitTypeDef* TIM_ICInitStruct)
{
 if (TIM_ICInitStruct->TIM_Channel == TIM_Channel_1)
 {  /* TI1 配置 */
   TI1_Config(TIMx, TIM_ICInitStruct->TIM_ICPolarity,
         TIM_ICInitStruct->TIM_ICSelection,
         TIM_ICInitStruct->TIM_ICFilter);
   /* 设置中断捕获预分频值 */
   TIM_SetIC1Prescaler(TIMx, TIM_ICInitStruct->TIM_ICPrescaler);
 }
 else if (TIM_ICInitStruct->TIM_Channel == TIM_Channel_2)
 {
   /*省略...*/
 }
}

static void TI1_Config(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPolarity, uint16_t TIM_ICSelection,uint16_t TIM_ICFilter)
{
 uint16_t tmpccmr1 = 0, tmpccer = 0;

 /* 关闭通道1: 复位CC1E位 */
 TIMx->CCER &= (uint16_t)~TIM_CCER_CC1E;
 tmpccmr1 = TIMx->CCMR1;
 tmpccer = TIMx->CCER;

 /* 通过设置CC1S选择为输入模式， 并配置滤波器 */
 tmpccmr1 &= ((uint16_t)~TIM_CCMR1_CC1S) & ((uint16_t)~TIM_CCMR1_IC1F);
 tmpccmr1 |= (uint16_t)(TIM_ICSelection | (uint16_t)(TIM_ICFilter << (uint16_t)4));

 /* 选择CC1P极性并设置CC1E位 */
 tmpccer &= (uint16_t)~(TIM_CCER_CC1P | TIM_CCER_CC1NP);
 tmpccer |= (uint16_t)(TIM_ICPolarity | (uint16_t)TIM_CCER_CC1E);

 /* 写数据到 TIMx 的CCMR1 和 CCER 寄存器 */
 TIMx->CCMR1 = tmpccmr1;
 TIMx->CCER = tmpccer;
}

void TIM_SetIC1Prescaler(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPSC)
{
 TIMx->CCMR1 &= (uint16_t)~TIM_CCMR1_IC1PSC; /* 复位IC1PSC位 */
 TIMx->CCMR1 |= TIM_ICPSC;          /* 设置IC1PSC值 */
}

• 关于配置DIER寄存器

TIM_ITConfig函数对于中断的开启，其实就是操作DIER寄存器：

void TIM_ITConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT, FunctionalState NewState)
{ 
 if (NewState != DISABLE)
 {  /* 使能中断 */
   TIMx->DIER |= TIM_IT;
 }
 else
 {  /* 失能中断 */
   TIMx->DIER &= (uint16_t)~TIM_IT;
 }
}

4.1.4 定时器中断初始化

定时器中断的使能设置已在上面的定时器配置中设置，这里只是进行常规的配置定时器中断的优先级：

/*定时器中断配置*/
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2; //抢占优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =0; //子优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;  //IRQ通道使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);           //根据指定的参数初始化NVIC寄存器

4.2 定时器中断服务函数

此处用到了两个全局变量，用于辅助实现高电平捕获。其中：

• TIM5CH1_CAPTURE_VAL用来记录捕获到下降沿的时候 TIM5_CNT的值。

• TIM5CH1_CAPTURE_STA用来记录捕获状态，我们把它当成一个寄存器那样来使用 。其各位描述下：

u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //输入捕获状态（当中一个自制的寄存器使用，初始为0） 
u32 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //输入捕获值(TIM2/TIM5是32位)

/**
* @brief 定时器5中断服务程序
*/
void TIM5_IRQHandler(void)
{  
 if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//还未成功捕获 (1000 0000)
 {
 /*定时器溢出中断*/
 if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET)
 {   
  if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)/* 之前标记了开始信号(0100 0000) */
  {
  if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F) /* 高电平太长了,计数溢出了 (0011 1111) */
  {
   TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;  /* (强制)标记成功捕获了一次 (1000 0000) */
   TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFFFFFF; /* 因为溢出次数N不能再加了，就将当前的捕获值设置为32位的最大值，等效Nmax+1*/
  }
  else /* 正常情况是不会溢出，最终得出正确的高电平时间 */
  {
   TIM5CH1_CAPTURE_STA++; /* 累计定时器溢出次数N */
  }
  }
  else
  {
  /* 还没有捕获到信号时，定时器溢出后什么也不做，自己清零继续计数即可 */
  }
 }
 
 /*捕获1发生捕获事件*/
 if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET)
 { 
  /*捕获到一个下降沿(结束信号)*/
  if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40) /* 之前标记了开始信号(0100 0000) */   
  {   
  TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;           /* 标记成功捕获到一次高电平脉宽 (1000 0000) */
  TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM5);     /* 获取当前的捕获值 */
   TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Rising); /* CC1P=0 重新设置为上升沿捕获，用于下次捕捉信号 */
  }   
  /*还未开始,第一次捕获 上升沿(起始信号) */
  else     
  {
  TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;  /* 清空 捕获状态寄存器 */
  TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0;     /* 清空 捕获值 */
  TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40; /* 标记捕获到了上升沿 (0100 0000) */
  
  TIM_Cmd(TIM5,DISABLE );   /* 关闭定时器5 */
   TIM_SetCounter(TIM5,0);     /* 清空CNT，重新从0开始计数 */
   TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Falling); /* CC1P=1 设置为下降沿捕获 */
  TIM_Cmd(TIM5,ENABLE );     /* 使能定时器5 */
  }   
 }          
 }
 TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中断标志位
}

再来对比一下这张图：

• 初始化时设置为上升沿触发，触发后（起始信号），清空CNT，重新从0开始计数，并设置为下降沿捕获

• 在之后的过程中可能会有多次定时器计数溢出，即TIM5CH1_CAPTURE_STA++（使用低6位），也即N的值

• 最后捕捉到下降沿（结束信号），TIM5CH1_CAPTURE_VAL获取当前CNT的值，也即CCRx2的值

再看主函数中：

while(1) 
{
  /* 成功捕获到了一次高电平 (1000 0000) */
  if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)    
  {
    temp=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F; /* 获取溢出的次数N (0011 1111) */
    temp*=0XFFFFFFFF;   /* 溢出时间总和 = N*溢出计数值 */
    temp+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL; /* 总的高电平时间 = 溢出时间总和 + 下降沿时的计数值*/

    printf("HIGH:%lld us\r\n",temp); //打印总的高点平时间
    TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;  //开启下一次捕获
  }
}

当检查TIM5CH1_CAPTURE_STA为捕获到1次高电平后，打印高电平的持续时间：

• 总的高电平时间 =N(TIM5CH1_CAPTURE_STA的低6位) * ARR(溢出计数值)+ CCRx2(下降沿时的计数值)

附：一些寄存器简写的全称

• ARR：auto-reload register 自动重载寄存器

• CCR：capture/compare register 捕获/比较寄存器

• PSC：prescaler 预分频器

• CNT：counter 计数器

• SR：status register 状态寄存器

• CCMR：capture/compare mode register 捕获/比较模式寄存器

  • CC1S：Capture/Compare 1 selection 捕获/比较1模式选择

  • OC1M： Output compare 1 mode 输出比较1模式

  • OC1PE：Output compare 1 preload enable 输出比较1预装载使能

  • IC1F：Input capture 1 filter 输入捕获1滤波器

  • IC1PSC：Input capture 1 prescaler 输入捕获1预分频器

• CCER：capture/compare enable register 捕获/比较使能寄存器

  • CC1P：Capture/Comparex output Polarity 捕获 /比较1输出极性

  • CC1E：Capture/Comparex output enable 捕获 /比较1输出使能

• SMCR：slave mode control register 从模式控制寄存器

• DCR：DMA control register DMA 控制寄存器

• DIER：DMA/Interrupt enable register DMA/中断使能寄存器

• DMAR：DMA address for full transfer 全传输 DMA 地址

• OR：option register 选项寄存器