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前言

        输入捕获用于测量PWM波形的频率、占空比、脉冲间隔、电平持续时间等参数。

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一、输入捕获

1.1 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时，当前CNT的值将被锁存到CCR中，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
• 每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输入捕获通道
• 可配置为PWMI模式，同时测量频率和占空比
• 可配合主从触发模式，实现硬件全自动测量

        1和2两部分加起来是输入捕获的电路，2和3两部分加起来是输出比较的电路。由图中可以看出有4个输入捕获和输出比较通道，输入捕获和输出比较共用4个CCR寄存器，4个通道的引脚（CH1、CH2、CH3、CH4）输入捕获和输出比较也是共用的，所以对于同一个定时器，输入捕获和输出比较只能使用其中一个，不能同时使用。

1.2 输出比较和输入捕获执行逻辑的对比：

1.2.1 输出比较

输出比较：

        输出比较可以通过比较CNT与CCR寄存器值的关系，来对输出电平进行置1、置0或翻转的操作，用于输出一定频率和占空比的PWM波形。

        对照通用定时器框图中输出比较部分来看，CNT计数器和CCR寄存器是作为比较电路的输入，根据CNT和CCR的大小关系，从通道引脚输入高低电平。这是输出比较的执行逻辑。

1.2.2 输入捕获

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时，当前CNT的值将被锁存到CCR中，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

        “输入捕获模式下，当通道输入引脚出现指定电平跳变时“，这个指定电平跳变就是上升沿或者下降沿，可以通过程序配置。发生电平跳变的瞬间，输入捕获电路会让当前CNT的值锁存到CCR中，锁存到CCR的意思就是把当前CNT的值读出来，写入到CCR中去。

        总结：输入捕获就是输入引脚电平跳变的瞬间把当前CNT的值锁存到CCR中。

        对照通用定时器框图中输入捕获部分，边沿信号输入引脚一旦有边沿，如上升沿，这一路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。这一块电路和外部中断很相似。

输入捕获电路与外部中断的相同于区别

      

相同：

        都是检测电平跳变，然后执行动作。

区别：

• 外部中断执行的动作是向CPU申请中断。
• 输入捕获执行的动作是控制后续电路，让当前CNT的值锁存到CCR寄存器中。

1.2.3 输出比较和输入捕获对比总结

• 输出比较引脚是输出端口；
• 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。

1.3 输入捕获作用

        输入捕获用于测量PWM波形的频率、占空比、脉冲间隔、电平持续时间等参数。脉冲间隔实际上和频率是是差不多的意思；电平持续时间和占空比是差不多的意思。这些参数通过输入捕获电路都可以很方便的进行测量。

1.4 三种定时器的输入捕获通道分布

        每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输入捕获通道，输入捕获通用定时器和高级定时器都是一样的，基本定时器没有输入捕获的功能。

1.5输入捕获的PWMI模式和主从触发模式简介

        输入捕获可配置为PWMI模式，同时测量频率和占空比。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。

        输入捕获可配合主从触发模式，实现硬件全自动测量。

        PWMI模式和主从触发模式设计的非常巧妙，把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，使用非常方便极大减轻了软件压力。

二、频率测量

2.1 测量信号类型

        图为一个频率逐渐降低的方波波形，越往左，频率越高；越往右，频率越低。图中的信号都是只有高低电平的数字信号。

        对于STM32测频率而言，它只能测量数字信号。

• 如果需要测量一个正弦波，那还需要搭建一个信号预处理电路，最简单的就是用运放搭建一个比较器，把正弦波转化为数字信号，再输入给STM32就行了；
• 如果需要测量的信号电压非常高，那还需要考虑一下隔离的问题，比如用一些隔离放大器，电压互感器等元件，隔离高压端和低压端，保证电路的安全。

其他信号经过处理最终输入给STM32的信号，需是图示的高低电平信号，高电平3.3V低电平0V.

2.2 测量信号方法

测量频率有两种方法可以选择：测频法和测周法。

2.2.1 测频法

• 测频法：在闸门时间T内，对上升沿（或下降沿）计次，得到N，则频率 fx=N / T

        测量上图所示信号的频率，可以设置闸门时间T，通常设置为1s。在1s时间内，对信号上升沿计次。从0开始计次，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1s时间内，来了多少个周期，那频率就是多少Hz。这符合频率的定义，频率的定义就是，1s内出现了多少个重复的周期，那频率就是多少Hz。这种直接按频率定义来测量的方法就叫测频法。

        测频法公式中闸门时间T，可灵活设置，可以是1s，对应计次值就直接是频率；也可以是2s，2s的闸门时间对应计次值除2，就是频率；也可以是0.5s的闸门时间，对应计次值乘2，也是频率。

2.2.2 测周法

• 测周法：两个上升沿内，以标准频率fc计次，得到N ，则频率 fx=fc / N

        测周法的基本原理就是，周期的倒数就是频率。测出一个周期的时间取倒数就是频率。

        由上图所示，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可以了。问题在于如何测量时间，测量时间的方法实际上也是定时器计次，可以使用一个已知的标准频率fc的计次时钟，来驱动计数器。从一个上升沿开始计，计数器从0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，再取个倒数，就得到公式 fx=fc / N。

2.2.3 测频法与测周法对比

      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，实际情况如何选择使用哪一种个好？

测频法适合测量高频信号，测周法适合测量低频型号

        从图中看，测频法，在闸门时间内，最好多出现一些上升沿，计次数量多一些，这样有助于减小误差。假如定了1s的闸门时间，结果信号频率非常低，闸门时间内只有很少几个上升沿甚至1个上升沿都没有，这不能将频率定为0，在计次N很少时，误差就会很大。所以测频法要求，信号频率要稍微高一些。

        对于测周法就要求信号频率低一些。低频型号，周期比较长，计次就会比较多，有助于减小误差。如果标准频率为1MHz，待测信号频率太高，比如待测信号500KHz，那在一个周期内只能计一两个数；若待测信号再高一些，甚至一个数也计不到时，不能将频率定为无穷大，所以测周法需要待测信号频率低一些。

测频法测量结果更新的慢，数值相对稳定；

测周法更新的快，数据跳变也非常快。

        由图可看出，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，那得到的是这一段时间的平均频率。如果闸门时间为1s，那么每隔1s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。但是由于测周法只测量一个周期，所以结果值会受噪声的影响，波动比较大。

        测频法适合测量高频信号，测周法适合测量低频型号，那高频和低频是如何划分的？这就需要了解中界频率。

2.3 中界频率

• 中界频率：测频法与测周法误差相等的频率点 fm=√fc / T

测频误差：

        测频法计次和测周法计次，这个计次数量N要尽量大一些，N越大，相对误差越小。因为在这两种方法中，计次可能会存在正负1误差。

• 测频法，在闸门时间内，并不是每个周期信号都是完整的。比如在最后的闸门时间里，可能有一个周期刚出现一半，闸门时间就到了，那这只有半个周期，只能舍弃掉或者当作一整个周期来看。因为计次只有整数，不能计次0.5个数。所以在这个过程就会出现多计一个数或者少计一个数的情况，这就是正负1误差。
• 测周法，标准频率fc计次，在最后时刻有肯能会一个数刚数到一半，计时就结束了 ，那这半个数也只能舍弃或者按一整个数来算。这里也会出现正负1误差。

        正负一误差是测频法和测周法都固有的误差。想要减小正负1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。

        总结：N越大，正负1误差影响越小。

        当有一个频率，测频法和测周法计次N相同，就说明误差相同，就是中界频率了。中界频率公式可以由测频法公式中的N提出来，测周法公式中的N也提出来，令两个方法N相等，把fx解出来，就得到中界频率 fm=√fc / T。

        由信号频率图所示：

• 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；

2.4 STM32实现信号测量

测频法：

        对信号频率上升沿计次，每来一次上升沿计次加1。再用一个定时器，定一个1s的定时中断，在中断里，每隔1s取一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。

测周法：

        测量两个上升沿之间的时间，来进行频率测量。使用一个已知的标准频率fc的计次时钟，来驱动计数器。从一个上升沿开始计，计数器从0开始，一直计到下一个上升沿停止。

三、输入捕获电路

        先从定时器框图中看一下输入捕获的各部分电路。

3.1 输入捕获引脚

        1.左边四个引脚的通道，参考引脚定义表可查看引脚复用的位置。

3.2 异或门和数据选择器

        2.从引脚进来，有一个三输入的异或门。异或门的输入接在了通道1、2、3端口，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，那输入捕获通道1的输入就是3个引脚的异或值；数据选择器如果选择下面一个，异或门就没有用，4个通道各用各的引脚。设计这个异或门是为了三相无刷电机服务的。无刷电机有3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，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。

3.3 输入滤波器和边沿检测器

        3.信号来到输入滤波器和边沿检测器，输入滤波器可以对信号进行滤波，避免一些高频的毛刺信号误触发；边沿检测器（这和之前文章的外部中断那里是一样的了）可以选择高电平触发或者低电平触发，当出现指定的电频时，边沿检测电路就会触发后续电路执行动作。

其实TI1信号进来这里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。
• 第二套电路，经过另一个滤波和极性选择，得到TI1FP2(TI1 Filter Polarity 2)，输入给下面通道2的后续电路。

同理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输入给上面；TI2FP2输入给下面。

        TI1和TI2两个信号进来，在数据选择器这里可以选择各走各的，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，这里进行了交叉连接。

交叉连接的目的：

• 第一个目的：可以灵活切换后续捕获电路的输入。如电路设计一会儿需要以CH1作为输入，一会儿需要以CH2作为输入。这样就可以通过数据选择器灵活进行选择。
• 第二个目的：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。

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，这就是交叉连接的目的。同样，通道3和通道4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。4个通道的数据选择器还有一路TRC信号，也可以选择作为捕获部分的输入。TRC信号的设计也是为了无刷电机的驱动。

3.4 预分频器

        4.输入信号进行滤波和极性选择后就来到了预分频器，预分频器每个通道各有一个，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。

3.5 举例

        例如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。这个时间间隔也就是周期，再取个倒数就是测周法测量的频率了。这里其实和测周法差不多，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，取以下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。这里注意个细节问题，每次捕获之后都要把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。这个再一次捕获后自动清零的步骤，可以用主从触发模式自动来完成。

四、输入捕获通道

         以下框图就是通用定时器框图输入捕获部分的细化结构，基本功能都一样。

4.1 滤波器

        1.信号从引脚进来，还是先经过一个滤波器。滤波器的输入是TI1也就是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。

滤波器工作原理：

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，那输出就不会变化，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。

4.2 边沿检测

        2.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CCER寄存器里的CC1P位就可以选择极性。最终得到TI1FP1触发信号，通过数据选择器进入通道1后续的捕获电路。

        这里实际应该还有一套一样的电路，得到TI1FP2触发信号，连接到通道2的后续电路。图中并没有画出来。同样，通道2有TI2FP1连接到通道1的后续，通道2也还有TI2FP2，连接到通道2的后续。总共4种连接方式，然后经过这里的数据选择器，进入后续捕获部分电路。

4.3 分频器

        3.CC1S位可以对数据选择器进行选择。之后ICPS位可以配置这里的分频器。可以选择不分频、2分频、4分频、8分频，最后CC1E位控制输出使能或失能。如果使能了输出，输入端产生指定的边沿信号，从引脚经过上图中层层电路，到达最后就可以让CNT的值转运到CCR里来。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。

4.4 CNT清零工作描述

        4.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的同时还可以触发从模式，从模式里就有电路可以自动完成CNT的清零。由此看出从模式就是完成自动化操作的利器。

五、主从触发模式

        这里的主从触发模式就是主模式、从模式、触发源选择这三个功能的简称。

5.1 主模式

        主模式可以将定时器内部的信号映射到TRGO引脚，用于出发别的外设，所以这部分叫主模式。

5.2 从模式

        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。

5.3 触发源选择

        触发源选择就是选择从模式的触发信号源的，可以认为它是从模式的一部分。触发源选择可以选择指定的一个信号，得到TRGI，TRGI去触发从模式。从模式可以在图中从模式列表里选择一项操作来自动执行。

5.4 模式作用

        如果让TI1FP1信号自动触发CNT清零，那触发源选择就可以选中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。

        上图有各种主模式的解释，比如想设计定时器的级联，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。

        主模式还可以选择复位、使能、比较脉冲和4个OCREF信号，作为TRGO的输出。可参考上图。

        上图是从模式触发源的可选信号，可以选择其中信号触发从模式。

触发从模式后可以执行上图中的操作。如复位模式执行的操作是选中触发输入的上升沿重新初始化计数器，就是清零CNT的意思。

六、输入捕获基本结构

6.1 电路执行逻辑

        这个结构只使用了一个通道，只能测量频率。

        配置好时基单元，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，CNT就是测周法用来计数计时的器件，经过预分频之后这个位置的时钟频率就是驱动CNT的标准化频率fc。这里 标准频率 = 72M / 预分频系数。

        输入捕获通道1的GPIO口输入图中左上角的一个方波信号，经过滤波器和边沿检测，选择TI1FP1为上升沿触发。经过滤波器和边沿检测之后的信号可分两路：

• 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的上升沿通过这一路可以去触发CNT清零。

当然CNT清零这里会有先后顺序，肯定是先转运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0转移到CNT里去。这么设计是避免先清零再捕获，避免捕获值都为0.

6.2 方波信号图

        图中信号出现一个上升沿，CCR1=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。

        之后在一个周期之内，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0开始计数。一直++直到，下一次上升沿来临，然后执行相同的操作。CCR1=CNT，CNT=0。

        注意第二次捕获的时候，CNT是第一次捕获一个周期的计数值。这个计数值就自动放在CCR1里面。等下一个周期继续同样的过程。CNT从0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，之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。这个计数值就是测周法里的N。由公式 fc/N 就是信号的频率。当需要读取信号的频率时，只需要读取CCR1得到N，再计算fc/N就行了；当不需要读取时，整个电路全自动的测量，不占用任何软件资源。

注意事项：

• 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。
• 从模式触发源选择只有TI1FP1和TI2FP2，没有TI3和TI4的信号，所以如果想使用从模式自动清零CNT就只能用通道1和通道2，对于通道3和通道4就只能开启捕获中断，在中断里手动清零了。但是这样比较消耗软件资源。

七、PWMI基本结构

7.1 电路执行逻辑

        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。

        上图和输入捕获基本结构比较只是下面多了一个通道。

        首先，TI1FP1配置上升沿触发，触发捕获和清零CNT，正常的捕获周期。同时再加一个TI2FP2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。

7.2 方波信号图

        最开始上升沿，CCR1捕获，同时清零CNT，之后CNT一直++。在下降沿这个时刻，触发CCR2捕获，所以这时CCR2的值就是CNT从上升沿到下降沿之间高电平的计数值。CCR2捕获并不触发CNT清零，所以CNT继续++，直到下一次上升沿CCR1捕获周期，CNT清零。这样捕获之后，CCR1就是一整个周期的计数值；CCR2就是高电平期间的计数值。CCR2 / CCR1 就是占空比。

        PWMI模式就是使用两个通道来捕获频率和占空比。

        电路结构配置中可以两个通道同时捕获第一个引脚的输入，这样通道2只用到PWMI基本结构图中所示的一部分，另一部分没有用到；电路也可以配置两个通道同时捕获第二个引脚的输入，这样就是使用TI2FP1和TI2FP2这两个引脚。这两个输入可以灵活切换。 

7.3 PWMI时序图

        PWM 信号由输入通道 TI1 进入，配置 TI1FP1 为触发信号，上升沿捕获。当上升沿的时候 IC1 和 IC2 同时捕获，计数器 CNT 清零，到了下降沿的时候，IC2 捕获，此时计数器 CNT的值被锁存到捕获寄存器CCR2中，到了下一个上升沿的时候，IC1捕获，计数器CNT 的值被锁存到捕获寄存器 CCR1中。其中 CCR2+1 测量的是脉宽，CCR1+1测量的是周期。

        这里要注意的是 CCR2 和 CCR1 的值在计算占空比和频率的时候都必须加 1，因为计数器是 从 0 开始计数的。

        从软件上来说，用 PWM 输入模式测量脉宽和周期更容易，付出的代价是需要占用两 个捕获寄存器。

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总结

        以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了输入捕获和PWM输入模式。