TIM输入捕获&TIM编码器接口（PWM的输入捕获功能）

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1.TIM输入捕获简介

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  • 当检测到电平跳变时，CNT的值将被锁存到CCR寄存器(捕获/比较寄存器)
  • PWMI模式专门用来测PWm的占空比和频率

频率测量

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（需要注意stm32测频率也只能测量数字信号，如果要测量一个正弦波，还需要搭建一个数字预处理电路）

  • 测频法和测周法的原理（PWM频率=CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)）

    •  测频法：定义一个T，如1s，在1s的时间内，有多少个周期，就是多少HZ           公式:fx=N/T

    •  测周法：周期的倒数就是频率，测出一个周期的时间，再取倒数，就是频率（测量时间的方法：定时器计次，使用一个已知频率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，再取一个倒数，就得到公式fx=fc/N）

  •  中界频率：测频率法的N=测周法的N，两者误差相等

    如何在不同情况下正确选择测频法和测周法呢？所以 多高算高频，多低算低频 ，我们有以下一个参数来考量：中界频率，测频法和测周法误差相等的频率点。由于两种方法的误差都与N的正负1误差有关，所以当两种方法计次的N相同时，两种方法的误差也就相同。

    T 是测频法的闸门时间，f c是测频法的标准频率。

  • 测频法和测周法的区别

    •   测频法适合高频信号（因为若N很小，误差会很大）。在闸门时间内，尽量多出现一些上升沿，有助于减小误差。测频法，数据更新慢，比较稳定。

    •   测周法适合测量低频信号（周期比较长，计次就会比较多，有助于减少误差），测一个周期就能出现结果，而一般待测信号频率都比较大，故结果更新较快

2.输入捕获电路

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  • 异或门的逻辑：当输入引脚任何一个有电平跳变时，输出引脚就是产生一次电平反转（本质上是为了三项无刷电机服务）

  • 详细流程：输入信号来到了输入滤波器和边沿检测器（极性选择）。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；边沿检测器就是和外部中断一样，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。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，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，输入给通道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输入通道1和TI2FP2输入通道2。可以进行交叉连接，例如CH1引脚输入给通道2，CH2引脚输入给通道1，进行交叉连接的目的是两个：1.一个通道灵活切换两个引脚，可以灵活切换后续捕获电路的输入，2.两个通道同时捕获一个引脚，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，实现两个通道（IC）对一个引脚（CH）进行捕获，就可以同时测量频率和占空比。可以选择各自独立连接，也可以选择进行交叉连接。另外还有一个TRC信号，也可选择作为捕获部分的输入，TRC信号来源于最上面，设计也是为了无刷电机的驱动。

    • 注意，TI3和TI4没有接入到触发控制器中

输入捕获通道1的细化框图

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  • 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
  • CCMR1寄存器里的ICF位可以控制滤波器的参数
  • 滤波器的工作原理就是：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，当连续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。在实际应用中，如果波形噪声比较大，就可以把IC1F位参数设置大一点来过滤噪声。(采样频率越低，采样个数N越大，滤波效果越好)
  • 滤波之后的信号通过边沿检测器。捕获上升沿或者下降沿
  • CC1P位可以进行极性选择
  • 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。
  • CCMR寄存器的CC1S位可以对数据选择器进行选择；CCMR寄存器的ICPS位可以配置分频器，可以选择不分频、2分频、4分频、8分频；CCMR寄存器的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，就可以最后将CNT的值转运到CCR里来，每捕获一次CNT的值，都要把CNT清0一下，以便于下一次的捕获，从模式控制器就可以在捕获之后自动完成CNT的清零工作
  • 每捕获一次CNT的值，都要将CNT清零，
    • 如何自动清零CNT: TI1FP1信号和TI1F_ED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，还可以同时触发从模式，这个从模式里就有电路，可以自动完成CNT的清零。从模式自动完成CNT的清零。

3.主从触发模式

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  • 主模式可以将定时器内部的信号映射到TRGO引脚，用于触发其他外设的操作； 从模式可以接收其他外设或自身外设的一些信号（触发源），用于触发自己的一些操作（定时器的运行）；

  • 主从模式：定时器先选择触发源、从模式。当触发源被激活则执行相应从模式。

  • 主从模式优点是硬件自动触发一些功能，不需要通过软件判断触发源，减少软件使用资源。

4.基本结构图

1.输入捕获基本结构

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  • 该结构只使用了一个通道因此目前只能测频率（或只能测占空比）

  • 步骤：

    • 首先，配置时基单元，启动寄存器，则CNT就会在预分频之后的时钟驱动下不断自增。使用测周法用CNT来计数，间接实现计时的功能。经过预分频后的时钟频率，就是测周法的标准频率fc。之后，GPIO输入一个待测的方波信号，经过滤波器和边沿检测选择TI1FP1为上升沿触发，之后数据选择器选择直连通道，分频器选择不分频。
    • 当TI1FP1出现上升沿之后，CNT的值就会被CCR1转运捕获；同时触发源选择模块选择TI1FP1为触发信号，从模式选择复位操作，触发CNT清零（先后顺序是：先转运CNT的值到CCR，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里面去，总之是先捕获，再清零）。
    • 当电路不断工作时，CCR1中的值始终是最新一个周期的计数值，即测周法的计次数 N。所以，当我们想读取信号的频率时，只需要读取CCR1得到N，再计算fc/N就得到频率了。当不需要读取时，整个电路全自动的测量，不需要占用任何软件资源。

  • 注意：

    • CNT的计数值是有上限的。由于ARR最大为65535，故CNT最大也只能计65535个数。如果信号频率太低，CNT的计数值可能会溢出。
    • 从模式的触发源选择中有TI1FP1和TI2FP2，但是没有TI3和TI4的信号。所以如果要使用从模式自动清零CNT，就必须使用通道1或通道2作为输入。 对于通道3和通道4，就只能开启捕获中断，在中断中手动清0了（程序会处于频繁中断的状态，比较占用软件资源）。

2.PWMI基本结构图(PWM输入模式，测占空比)

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  • PWMI模式使用两个通道同时捕获一个引脚，可以同时测量周期和占空比，相比前面输入捕获，下面多了一个TI1FP2的通道。
  • 步骤：
    • 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，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（原理：最开始上升沿CCR1捕获同时清零CNT，之后CNT一直加，然后在下降沿时刻触发CCR2捕获，这时CCR2的值就是CNT从上升沿到下降沿的计数值也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捕获周期并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，用CCR2/CCR1就是占空比，以上就是PWMI模式使用两个通道来捕获频率和占空比的思路。另外也可以两个通道同时捕获第一个引脚的输入）
 //输入捕获就是CCR=cnt
        c_value1a=HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim,TIM_CHANNEL_1);//通道1，总时间
        c_value1b=HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim,TIM_CHANNEL_2);//通道2，高电平时间
        A_Duty=(c_value1b/c_value1a)*100;//占空比

5.TIM编码器接口

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  • 如果一个定时器，配置为了编码器接口模式，基本上就干不了其他活了，c8t6只有4个定时器
  • CH3和CH4不能接编码器

1. 正交编码器

  • 正交编码器一般可以测量位置，或带有方向的速度值，有2个信号输出引脚，A相和B相。 当编码器的旋转轴旋转起来时，A相和B相会输出方波信号，转的越快，方波的频率就越高，频率代表速度。

  • 当A,B相的边沿出现上升还是下降，对于另一相的状态，正转和反转相反。另外一相用来作参考获得方向

  • 每个定时器只有一个编码器接口，基本定时器没有编码器接口。

2. 编码器输出部分

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  • 编码器输出部分控制CNT计数时钟，和计数方向，输出执行流程是，如出现了边沿信号，并且对应另一相的状态为正转，则控制CNT自增，否则控制CNT自减。**内部72Mhz时钟和时基单元初始化设置的计数方向，并不会使用。 **

3.编码器结构基本结构

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  • 输入捕获前2个通道，通过GPIO接入编码器A,B相，通过滤波器和边沿检测和极性选择，产生TI1FP1，TI1FP2，通向编码器接口，编码器接口通过预分频器控制CNT计数器的时钟。同时编码器接口还根据编码器的旋转方向，控制CNT计数的方向，编码器正转时，CNT自增，编码器反转时，CNT自减。 这里ARR有效，设置为最大量程65535，利用补码的特性，很容易得到负数。
  • 这里的极性选择，不是边沿的极性选择，而是高低电平的极性选择，判断高低电平输入会不会反转

4.工作模式

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  • 这里TI1FP1，TI1FP2就是编码器的A，B相。
  • 总结：正转的状态都向上计数，反转的状态都向下计数。

6.HAL库的配置

  • 在使用 HAL 库（硬件抽象层）进行输入捕获时，通常会使用定时器的输入捕获功能来捕获外部信号的边缘（上升沿或下降沿）。在回调函数中，您需要根据捕获的事件来判断并处理相应的逻辑。以下是一个基本的示例，展示如何在 HAL 库中编写输入捕获的回调函数。

  • 示例代码

假设您使用 STM32 微控制器，并且已经配置了一个定时器以进行输入捕获。以下是一个简单的回调函数示例：

#include "stm32f4xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim2; // 定时器句柄
volatile uint32_t captureValue; // 捕获值
volatile uint8_t captureReady = 0; // 捕获标志

// 输入捕获回调函数
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if (htim->Instance == TIM2) { // 检查是哪个定时器
        captureValue = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1); // 读取捕获值
        captureReady = 1; // 设置捕获标志
    }
}

// 主函数或其他初始化函数
int main(void) {
    HAL_Init();
    // ... 其他初始化代码 ...

    // 启动输入捕获
    HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1); // 启动定时器的输入捕获中断

    while (1) {
        if (captureReady) { // 检查是否有新的捕获值
            captureReady = 0; // 清除标志
            // 处理捕获值
            // 例如，计算频率或时间间隔
        }
    }
}

代码说明

  1. 定时器句柄：TIM_HandleTypeDef htim2; 用于存储定时器的状态和配置。

  2. 捕获值和标志：captureValue 用于存储捕获的时间戳，captureReady 是一个标志，用于指示是否有新的捕获值可用。

  3. 回调函数：HAL_TIM_IC_CaptureCallback 是 HAL 库提供的输入捕获回调函数。当定时器捕获到边缘时，该函数会被自动调用。

    • htim->Instance == TIM2 用于判断当前触发的定时器是否是我们配置的定时器。
    • HAL_TIM_ReadCapturedValue 用于读取捕获的值。
    • 设置 captureReady 标志，以便在主循环中处理捕获值。

  4. 主循环：在主循环中，检查 captureReady 标志，如果为真，则处理捕获值并重置标志。

注意事项

  • 确保在配置定时器时，正确设置了输入捕获的通道和极性（上升沿或下降沿）。
  • 在使用中断时，确保中断优先级设置正确，以避免丢失捕获事件。
  • 根据具体的应用需求，您可能需要在回调函数中添加更多的逻辑，例如计算频率、时间间隔等。

总结

在 HAL 库中，输入捕获的回调函数主要用于处理捕获到的信号边缘。通过检查定时器实例和读取捕获值，可以实现对外部信号的有效监测和处理。根据具体的应用需求，您可以在回调函数中添加更多的逻辑来满足您的需求。

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