24. 定时器的输入捕获模式
一、什么是输入捕获
输入捕获模式可以用来测量脉冲宽度或者测量频率。
图中，t1 到 t2 的时间段，就是我们需要测量的高电平时间。测量方法如下：假如定时器工作在递增计数模式，首先设置定时器通道 x 为上升沿捕获，这样在 t1 时刻上升沿到来时，就会发生捕获事件。这里我们还会打开捕获中断，所以捕获事件发生就意味着捕获中断也会发生。在捕获中断里将计数器值清零，并设置通道 x 为下降沿捕获，这样 t2 时刻下降沿到来时，就会发生捕获事件和捕获中断。捕获事件发生时，计数器的值会被锁存到捕获/比较寄存器中（比如通道 1 对应的是 CCR1 寄存器）。那么在捕获中断里，我们读取捕获/比较寄存器就可以获取到高电平脉冲时间内，计数器计数的个数，从而可以算出高电平脉冲的时间。这里是假设定时器没有溢出为前提的。
实际上，t1 到 t2 时间段，定时器可能会产生 N 次溢出，这就需要我们对定时器溢出做相应的处理，防止高电平太长，导致测量出错。在 t1 到 t2 时间段，假设定时器溢出 N 次，那么高电平脉冲时间内，计数器计数的个数计算方法为：\(N *（ARR+1）+ CCRx2\)，CCRx2 表示 t2 时间点，捕获/比较寄存器的值。经过计算得到高电平脉宽时间内计数器计数个数后，用这个个数乘以计数器的计数周期，就可得到高电平持续的时间。就是输入捕获测量高电平脉宽时间的整个过程。
STM32F407 的定时器除了 TIM6 和 TIM7，其他定时器都有输入捕获功能。输入捕获，简单的说就是通过检测 TIMx_CHy 上的边沿信号，在边沿信号发生跳变（比如上升沿/下降沿）时，会发生捕获事件，将当前定时器的值（TIMx_CNT）锁存到对应通道的捕获/比较寄存器（TIMx_CCRy）里，完成一次捕获。同时还可以配置捕获事件发生时是否触发捕获中断/DMA。另外还要考虑测量的过程中是否可能发生定时器溢出，如果可能溢出，还要做溢出处理。
二、捕获/比较通道的输入部分
待测量信号 TI1 到达 TIMx_CH1 后，TI1 首先经过一个滤波器，由 ICF[3:0] 位来设置滤波方式，也可以设置不使用滤波器。fDTS 由 TIMx_CR1 寄存器的 CKD 位设置。接着经过边沿检测器，由 CC1P 位来设置检测的边沿，可以上升沿或者下降沿检测。（CC1NP 是配置互补通道的边沿检测的，在高级定时器才有，通用定时器没有。）然后经过输入捕获映射选择器，由 CC1S[1:0] 位来选择把 IC1 映射到 TI1、TI2 还是 TRC。这里我们的待测量信号从通道 1 进来，所以选择 IC1 映射到 TI1 上即可。紧接着经过输入捕获 1 预分频器，由 ICPS[1:0] 位来设置预分频系数，范围：1、2、4、8。最后需要把 CC1E 位置 1，使能输入捕获，IC1PS 就是分频后的捕获信号。
首先看到捕获/比较预装载寄存器，我们以通道 1 为例，那么它就是 CCR1 寄存器，通道 2、通道 3、通道 4 就分别对应 CCR2、CCR3、CCR4。在图中就可以看到 CCR1 ~ 4 是有影子寄存器的，该寄存器不可直接访问。
图左下角的 CC1G 位可以产生软件捕获事件，那么硬件捕获事件如何产生的？这里我们还是以通道 1 输入为例，CC1S[1:0] = 01，即 IC1 映射到 TI1 上；CC1E 位置 1，使能输入捕获；比如不滤波、不分频，ICF[3:0] = 00，ICPS[1:0] = 00；比如检测上升沿，CC1P 位置 0；接着就是等待测量信号的上升沿到来。当上升沿到来时，IC1PS 信号就会触发输入捕获事件发生，计数器的值就会被锁存到捕获/比较影子寄存器里。当 CCR1 寄存器没有被进行读操作的时候，捕获/比较影子寄存器里的值就会锁存到 CCR1 寄存器中，那么程序员就可以读取 CCR1 寄存器，得到计数器的计数值。检测下降沿同理。
三、常用的寄存器
3.1、TIMx控制寄存器
TIMx_CR1 寄存器位 7（ARPE）用于控制自动重载寄存器是否进行缓冲，如果 ARPE 位置 1，ARR 起缓冲作用，即只有在更新事件发生时才会把 ARR 的值写入其影子寄存器里；如果 ARPE 位置 0，那么修改自动重载寄存器的值时，该值会马上被写入其影子寄存器中，从而立即生效。
TIMx_CR1 寄存器 CMS[6:5] 位，用于设置边沿对齐模式还是中心对齐模式。当 CMS[1:0] 位设置为 00 时，为边沿对齐模式，其它值为中心对齐模式。
TIMx_CR1 寄存器位 4 DIR 位，用于控制定时器的计数方向。设置 DIR 位为 0 时，为递增计数。设置 DIR 位为 1 时，为递减计数。当定时器配置为中心对齐模式或编码器模式时，该位为只读状态。
TIMx_CR1 寄存器位 0 CEN 位，用于使能计数器的工作，必须要设置该位为 1，计数器才会开始计数。
3.2、TIMx从模式控制寄存器
该寄存器的 SMS[2:0]位，用于从模式选择，其实就是选择计数器输入时钟的来源。比如我们设置 SMS[2:0]=000，禁止从模式，这样 PSC 预分频器的时钟就直接来自内部时钟（CK_INT），按照我们例程 System_Clock_Init() 函数的配置，频率为 84Mhz（APB1 总线时钟频率的 2 倍）。
3.3、TIMx DMA中断/使能寄存器
该寄存器用于使能/失能触发 DMA 请求、捕获/比较中断以及更新中断。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。同时我们还需要在定时器溢出中断中累计定时器溢出的次数，所以还需要使能定时器的更新中断，即 UIE 置 1。
3.4、TIMx捕获/比较模式寄存器
该寄存器的有些位在不同模式下，功能不一样。TIMx_CCMR1 寄存器对应于通道 1 和通道 2 的设置，CCMR2 寄存器对应通道 3 和通道 4。如：TIMx_CCMR1 寄存器位 [7：0] 用于捕获/比较通道 1 的控制，而位 [15：8] 则用于捕获/比较通道 2 的控制。
其中 CC1S[1:0]，这两个位用于 CCR1 的通道配置，这里我们设置 IC1S[1:0]=01，也就是配置 IC1 映射在 TI1 上。
输入捕获 1 预分频器 IC1PSC[1:0] 设置每来几次事件执行一次捕获。
输入捕获 1 滤波器 IC1F[3:0]，这个用来设置输入采样频率和数字滤波器长度。其中，\(f_{CK\_INT}\) 是定时器时钟源频率，按照例程的配置为 84Mhz，而 \(f_{DTS}\) 则是根据 TIMx_CR1 的 CKD[1:0] 的设置来确定的，如果 CKD[1:0]设置为 00，那么 \(f_{DTS} = f_{CK\_INT}\)。N 值采样次数。
举个简单的例子：假设 IC1F[3:0]=0011，并设置 IC1 映射到 TI1 上。表示以 fCK_INT 为采样频率，当连续 8 次都是采样到 TI1 为高电平或者低电平，滤波器才输出一个有效输出边沿。当 8 次采样中有高有低，那就保持原来的输出，这样可以滤除高频干扰信号，从而达到滤波的效果。这里，我们不做滤波处理，所以设置 IC1F[3:0]=0000。
3.5、TIMx捕获/比较使能寄存器
该寄存器控制着各个输入输出通道的开关和极性。要使能输入捕获，必须设置 CC1E=1，而 CC1P 则根据自己的需要来配置。
3.6、TIMx计数器
TIM2/TIM5 的计数寄存器是 32 位的，TIM3/TIM4 的计数寄存器都是 16 位有效的，计数模式可以是递增计数模式、递减计数模式和中心对齐计数模式。其他定时器和基本定时器一样，可以直接写该寄存器设置计数的初始值，也可以读取该寄存器获取计数器值。
3.7、TIMx预分频器
定时器的预分频寄存器都是 16 位的，即写入该寄存器的数值范围是 0 到 65535，表示 1 到 65536 分频。比如我们要 8400 分频，就往该寄存器写入 8399。
3.8、TIMx自动重载寄存器
在 F4 系列中，TIM2 和 TIM5 的自动重装载寄存器是 32 位的，其他通用定时器自动重载寄存器是低 16 位有效。该寄存器可以由 APRE 位设置是否进行缓冲。计数器的值会和自动重装寄存器影子寄存器进行比较，当两者相等，定时器就会溢出，从而发生更新事件，如果打开了更新中断，还会发生更新中断。
3.9、TIMx捕获比较寄存器
该寄存器用来存储发生捕获事件时，TIMx_CNT 的值，我们从 TIMx_CCR1 就可以读出通道 1 捕获事件发生时刻的 TIMx_CNT 值，通过两次捕获（一次上升沿捕获，一次下降沿捕获）的差值，就可以计算出高电平脉冲的宽度（注意，对于高电平脉宽太长的情况，还要计算定时器溢出的次数）。
四、定时器对应通道引脚
【1】、TIM2 对应通道引脚及其重映射
| 通道名 | 通道引脚 | 重映射通道引脚 |
|---|---|---|
| Channel 1 | PA0 | PA5/PA15 |
| Channel 2 | PA1 | PB3 |
| Channel 3 | PA2 | PB10 |
| Channel 4 | PA3 | PB11 |
【2】、TIM3 对应通道引脚及其重映射
| 通道名 | 通道引脚 | 重映射通道引脚 |
|---|---|---|
| Channel 1 | PA6 | PC6/PB4 |
| Channel 2 | PA7 | PC7/PB5 |
| Channel 3 | PB0 | PC8 |
| Channel 4 | PB1 | PC9 |
【3】、TIM4 对应通道引脚及其重映射
| 通道名 | 通道引脚 | 重映射通道引脚 |
|---|---|---|
| Channel 1 | PD12 | PB6 |
| Channel 2 | PD13 | PB7 |
| Channel 3 | PD14 | PB8 |
| Channel 4 | PD15 | PB9 |
【4】、TIM5 对应通道引脚及其重映射
| 通道名 | 通道引脚 | 重映射通道引脚 |
|---|---|---|
| Channel 1 | PA0 | |
| Channel 2 | PA1 | |
| Channel 3 | PA2 | |
| Channel 4 | PA3 |
【5】、TIM9 对应通道引脚及其重映射
| 通道名 | 通道引脚 | 重映射通道引脚 |
|---|---|---|
| Channel 1 | PE5 | PA2 |
| Channel 2 | PE6 | PA3 |
【6】、TIM10 对应通道引脚及其重映射
| 通道名 | 通道引脚 | 重映射通道引脚 |
|---|---|---|
| Channel 1 | PF6 | PB8 |
【7】、TIM11 对应通道引脚及其重映射
| 通道名 | 通道引脚 | 重映射通道引脚 |
|---|---|---|
| Channel 1 | PF7 | PB9 |
【8】、TIM12 对应通道引脚及其重映射
| 通道名 | 通道引脚 | 重映射通道引脚 |
|---|---|---|
| Channel 1 | PB14 | |
| Channel 2 | PB15 |
【9】、TIM13 对应通道引脚及其重映射
| 通道名 | 通道引脚 | 重映射通道引脚 |
|---|---|---|
| Channel 1 | PF8 | PA6 |
【10】、TIM14 对应通道引脚及其重映射
| 通道名 | 通道引脚 | 重映射通道引脚 |
|---|---|---|
| Channel 1 | PF9 | PA7 |
【11】、TIM1 对应通道引脚及其重映射
| 通道名 | 通道引脚 | 重映射通道引脚 | 互补通道名 | 互补通道引脚 | 互补重映射通道引脚 |
|---|---|---|---|---|---|
| Channel 1 | PE9 | PA8 | Channel 1N | PA7 | PE8/PB13 |
| Channel 2 | PE11 | PA9 | Channel 2N | PB0 | PE10/PB14 |
| Channel 3 | PE13 | PA10 | Channel 3N | PB1 | PE12/PB15 |
| Channel 4 | PE14 | PA11 | Channel 4N |
【12】、TIM8 对应通道引脚及其重映射
| 通道名 | 通道引脚 | 重映射通道引脚 | 互补通道名 | 互补通道引脚 | 互补重映射通道引脚 |
|---|---|---|---|---|---|
| Channel 1 | PC6 | Channel 1N | PA5 | PA7 | |
| Channel 2 | PC7 | Channel 2N | PB0 | PB14 | |
| Channel 3 | PC8 | Channel 3N | PB1 | PB15 | |
| Channel 4 | PC9 | Channel 4N |
五、输入捕获配置步骤
5.1、使能定时器时钟和对应通道的GPIO时钟
使能高级定时器的时钟。
#define __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_TIM1EN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_TIM1EN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_TIM8_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_TIM8EN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_TIM8EN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
使能通用定时器的时钟。
#define __HAL_RCC_TIM5_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM5EN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM5EN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_TIM9_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_TIM9EN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_TIM9EN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_TIM11_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_TIM11EN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_TIM11EN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_TIM12_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM12EN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM12EN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_TIM13_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM13EN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM13EN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_TIM14_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM14EN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM14EN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM2EN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM2EN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM3EN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM3EN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_TIM4_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM4EN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB1ENR, RCC_APB1ENR_TIM4EN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_TIM10_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_TIM10EN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->APB2ENR, RCC_APB2ENR_TIM10EN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
使能定时器通道引脚对应的 GPIO 的时钟。
#define __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOAEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOAEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOBEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOBEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOCEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOCEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIODEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIODEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOEEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOEEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
#define __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE() do { \
__IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
SET_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOFEN);\
/* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB1ENR, RCC_AHB1ENR_GPIOFEN);\
UNUSED(tmpreg); \
} while(0U)
5.2、配置定时器基本工作参数
HAL 库提供定时器输入捕获的初始化函数，它的说明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_IC_Init(TIM_HandleTypeDef *htim);
其中，htim 是 TIM_HandleTypeDef 结构体类型指针变量（亦称定时器句柄），结构体定义如下：
typedef struct
{
TIM_TypeDef *Instance; // 寄存器基地址
TIM_Base_InitTypeDef Init; // 定时器初始化结构体
HAL_TIM_ActiveChannel Channel; // 定时器通道
DMA_HandleTypeDef *hdma[7]; // DMA管理结构体
HAL_LockTypeDef Lock; // 锁对象
__IO HAL_TIM_StateTypeDef State; // 定时器状态
__IO HAL_TIM_ChannelStateTypeDef ChannelState[4]; // 定时器通道状态
__IO HAL_TIM_ChannelStateTypeDef ChannelNState[4]; // 定时器互补通道状态
__IO HAL_TIM_DMABurstStateTypeDef DMABurstState; // DMA溢出状态
} TIM_HandleTypeDef;
Instance：指向定时器寄存器基地址，可选值如下：
#define TIM1 ((TIM_TypeDef *) TIM1_BASE)
#define TIM8 ((TIM_TypeDef *) TIM8_BASE)
#define TIM2 ((TIM_TypeDef *) TIM2_BASE)
#define TIM3 ((TIM_TypeDef *) TIM3_BASE)
#define TIM4 ((TIM_TypeDef *) TIM4_BASE)
#define TIM5 ((TIM_TypeDef *) TIM5_BASE)
#define TIM9 ((TIM_TypeDef *) TIM9_BASE)
#define TIM10 ((TIM_TypeDef *) TIM10_BASE)
#define TIM11 ((TIM_TypeDef *) TIM11_BASE)
#define TIM12 ((TIM_TypeDef *) TIM12_BASE)
#define TIM13 ((TIM_TypeDef *) TIM13_BASE)
#define TIM14 ((TIM_TypeDef *) TIM14_BASE)
Init：定时器初始化结构体，用于配置定时器的相关参数，它的定义如下：
typedef struct
{
uint32_t Prescaler; // 预分频系数
uint32_t CounterMode; // 计数模式
uint32_t Period; // 自动重装载值
uint32_t ClockDivision; // 时钟分频因子
uint32_t RepetitionCounter; // 重复计数器值
uint32_t AutoReloadPreload; // 自动重装载值预载入功能
} TIM_Base_InitTypeDef;
Prescaler：预分频系数，即写入预分频寄存器的值，范围 0 到 65535。
CounterMode：计数器计数模式，。
#define TIM_COUNTERMODE_UP 0x00000000U /*!< Counter used as up-counter */
#define TIM_COUNTERMODE_DOWN TIM_CR1_DIR /*!< Counter used as down-counter */
#define TIM_COUNTERMODE_CENTERALIGNED1 TIM_CR1_CMS_0 /*!< Center-aligned mode 1 */
#define TIM_COUNTERMODE_CENTERALIGNED2 TIM_CR1_CMS_1 /*!< Center-aligned mode 2 */
#define TIM_COUNTERMODE_CENTERALIGNED3 TIM_CR1_CMS /*!< Center-aligned mode 3 */
Period：自动重载值，即写入自动重载寄存器的值，范围 0 到 65535。
AutoReloadPreload：自动重载预装载使能，即控制寄存器 1（TIMx_CR1）的 ARPE 位。
#define TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE 0x00000000U /*!< TIMx_ARR register is not buffered */
#define TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE TIM_CR1_ARPE /*!< TIMx_ARR register is buffered */
该函数的返回值是 HAL_StatusTypeDef 枚举类型的值，有 4 个，分别是 HAL_OK 表示 成功，HAL_ERROR 表示 错误，HAL_BUSY 表示 忙碌，HAL_TIMEOUT 表示 超时。
typedef enum
{
HAL_OK = 0x00U, // 成功
HAL_ERROR = 0x01U, // 错误
HAL_BUSY = 0x02U, // 忙碌
HAL_TIMEOUT = 0x03U // 超时
} HAL_StatusTypeDef;
5.3、设置对应通道引脚的工作模式
HAL 库中，提供 HAL_GPIO_Init() 函数用于配置 GPIO 功能模式，初始化 GPIO。该函数的声明如下：
void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);
该函数的第一个形参 GPIOx 用来 指定端口号，可选值如下：
#define GPIOA ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)
#define GPIOB ((GPIO_TypeDef *) GPIOB_BASE)
#define GPIOC ((GPIO_TypeDef *) GPIOC_BASE)
#define GPIOD ((GPIO_TypeDef *) GPIOD_BASE)
#define GPIOE ((GPIO_TypeDef *) GPIOE_BASE)
#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)
第二个参数是 GPIO_InitTypeDef 类型的结构体变量，用来 设置 GPIO 的工作模式，其定义如下：
typedef struct
{
uint32_t Pin; // 引脚号
uint32_t Mode; // 模式设置
uint32_t Pull; // 上下拉设置
uint32_t Speed; // 速度设置
uint32_t Alternate; // 复用功能设置
}GPIO_InitTypeDef;
成员 Pin 表示 引脚号，范围：GPIO_PIN_0 到 GPIO_PIN_15。
#define GPIO_PIN_0 ((uint16_t)0x0001) /* Pin 0 selected */
#define GPIO_PIN_1 ((uint16_t)0x0002) /* Pin 1 selected */
#define GPIO_PIN_2 ((uint16_t)0x0004) /* Pin 2 selected */
#define GPIO_PIN_3 ((uint16_t)0x0008) /* Pin 3 selected */
#define GPIO_PIN_4 ((uint16_t)0x0010) /* Pin 4 selected */
#define GPIO_PIN_5 ((uint16_t)0x0020) /* Pin 5 selected */
#define GPIO_PIN_6 ((uint16_t)0x0040) /* Pin 6 selected */
#define GPIO_PIN_7 ((uint16_t)0x0080) /* Pin 7 selected */
#define GPIO_PIN_8 ((uint16_t)0x0100) /* Pin 8 selected */
#define GPIO_PIN_9 ((uint16_t)0x0200) /* Pin 9 selected */
#define GPIO_PIN_10 ((uint16_t)0x0400) /* Pin 10 selected */
#define GPIO_PIN_11 ((uint16_t)0x0800) /* Pin 11 selected */
#define GPIO_PIN_12 ((uint16_t)0x1000) /* Pin 12 selected */
#define GPIO_PIN_13 ((uint16_t)0x2000) /* Pin 13 selected */
#define GPIO_PIN_14 ((uint16_t)0x4000) /* Pin 14 selected */
#define GPIO_PIN_15 ((uint16_t)0x8000) /* Pin 15 selected */
成员 Mode 是 GPIO 的 模式选择，有以下选择项：
#define GPIO_MODE_AF_PP 0x00000002U // 推挽式复用
成员 Pull 用于 配置上下拉电阻，有以下选择项：
#define GPIO_NOPULL 0x00000000U // 无上下拉
#define GPIO_PULLUP 0x00000001U // 上拉
#define GPIO_PULLDOWN 0x00000002U // 下拉
成员 Alternate 用于 配置具体的复用功能，不同的 GPIO 口可以复用的功能不同，具体可参考数据手册。
#define GPIO_AF1_TIM1 ((uint8_t)0x01) /* TIM1 Alternate Function mapping */
#define GPIO_AF1_TIM2 ((uint8_t)0x01) /* TIM2 Alternate Function mapping */
#define GPIO_AF2_TIM3 ((uint8_t)0x02) /* TIM3 Alternate Function mapping */
#define GPIO_AF2_TIM4 ((uint8_t)0x02) /* TIM4 Alternate Function mapping */
#define GPIO_AF2_TIM5 ((uint8_t)0x02) /* TIM5 Alternate Function mapping */
#define GPIO_AF3_TIM8 ((uint8_t)0x03) /* TIM8 Alternate Function mapping */
#define GPIO_AF3_TIM9 ((uint8_t)0x03) /* TIM9 Alternate Function mapping */
#define GPIO_AF3_TIM10 ((uint8_t)0x03) /* TIM10 Alternate Function mapping */
#define GPIO_AF3_TIM11 ((uint8_t)0x03) /* TIM11 Alternate Function mapping */
#define GPIO_AF9_TIM12 ((uint8_t)0x09) /* TIM12 Alternate Function mapping */
#define GPIO_AF9_TIM13 ((uint8_t)0x09) /* TIM13 Alternate Function mapping */
#define GPIO_AF9_TIM14 ((uint8_t)0x09) /* TIM14 Alternate Function mapping */
5.4、配置输入通道映射和捕获边沿
定时器的输入捕获通道设置初始化函数。其声明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_IC_ConfigChannel(TIM_HandleTypeDef *htim, TIM_IC_InitTypeDef *sConfig, uint32_t Channel);
其中，htim 是 TIM_HandleTypeDef 结构体类型指针变量（亦称定时器句柄）。
sConfig 是 TIM_IC_InitTypeDef 结构体类型指针变量，用于配置定时器的输入捕获参数。
typedef struct
{
uint32_t ICPolarity; // 输入捕获触发方式选择
uint32_t ICSelection; // 输入捕获选择，用于设置映射关系
uint32_t ICPrescaler; // 输入捕获分频系数
uint32_t ICFilter; // 输入捕获滤波器设置
} TIM_IC_InitTypeDef;
成员变量 ICPolarity 用来 来设置输入信号的有效捕获极性，可选值如下：
#define TIM_ICPOLARITY_RISING TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING // 上升沿捕获
#define TIM_ICPOLARITY_FALLING TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING // 下降沿捕获
#define TIM_ICPOLARITY_BOTHEDGE TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_BOTHEDGE // 双边沿捕获
成员变量 ICSelection 用来 输入捕获选择，用于设置映射关系，可选值如下：
#define TIM_ICSELECTION_DIRECTTI TIM_CCMR1_CC1S_0 // IC1直接映射在TI1
#define TIM_ICSELECTION_INDIRECTTI TIM_CCMR1_CC1S_1 // IC1映射在TI
#define TIM_ICSELECTION_TRC TIM_CCMR1_CC1S // IC1映射在TRC
成员变量 ICPrescaler 用来 输入捕获分频系数，可选值如下：
#define TIM_ICPSC_DIV1 0x00000000U /*!< Capture performed each time an edge is detected on the capture input */
#define TIM_ICPSC_DIV2 TIM_CCMR1_IC1PSC_0 /*!< Capture performed once every 2 events */
#define TIM_ICPSC_DIV4 TIM_CCMR1_IC1PSC_1 /*!< Capture performed once every 4 events */
#define TIM_ICPSC_DIV8 TIM_CCMR1_IC1PSC /*!< Capture performed once every 8 events */
成员变量 ICFilter 用来 输入捕获滤波器设置，可选范围：0x00 ~ 0x0F
Channel 是定时器通道，范围：TIM_CHANNEL_1 到 TIM_CHANNEL_4。
#define TIM_CHANNEL_1 0x00000000U /*!< Capture/compare channel 1 identifier */
#define TIM_CHANNEL_2 0x00000004U /*!< Capture/compare channel 2 identifier */
#define TIM_CHANNEL_3 0x00000008U /*!< Capture/compare channel 3 identifier */
#define TIM_CHANNEL_4 0x0000000CU /*!< Capture/compare channel 4 identifier */
#define TIM_CHANNEL_ALL 0x0000003CU /*!< Global Capture/compare channel identifier */
该函数的返回值是 HAL_StatusTypeDef 枚举类型的值，有 4 个，分别是 HAL_OK 表示 成功，HAL_ERROR 表示 错误，HAL_BUSY 表示 忙碌，HAL_TIMEOUT 表示 超时。
5.5、使能中断
5.5.1、设置中断优先级分组
HAL_NVIC_SetPriorityGrouping() 函数是设置中断优先级分组函数。其声明如下：
void HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t PriorityGroup);
其中，参数 PriorityGroup 是 中断优先级分组号，可以选择范围如下：
#define NVIC_PRIORITYGROUP_0 0x00000007U /*!< 0 bits for pre-emption priority
4 bits for subpriority */
#define NVIC_PRIORITYGROUP_1 0x00000006U /*!< 1 bits for pre-emption priority
3 bits for subpriority */
#define NVIC_PRIORITYGROUP_2 0x00000005U /*!< 2 bits for pre-emption priority
2 bits for subpriority */
#define NVIC_PRIORITYGROUP_3 0x00000004U /*!< 3 bits for pre-emption priority
1 bits for subpriority */
#define NVIC_PRIORITYGROUP_4 0x00000003U /*!< 4 bits for pre-emption priority
0 bits for subpriority */
这个函数在一个工程里基本只调用一次，而且是在程序 HAL 库初始化函数里面已经被调用，后续就不会再调用了。因为当后续调用设置成不同的中断优先级分组时，有可能造成前面设置好的抢占优先级和响应优先级不匹配。如果调用了多次，则以最后一次为准。
5.5.2、设置中断优先级
HAL_NVIC_SetPriority() 函数是设置中断优先级函数。其声明如下：
void HAL_NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t PreemptPriority, uint32_t SubPriority);
其中，参数 IRQn 是 中断号，可以选择范围：IRQn_Type 定义的枚举类型，定义在 stm32f407xx.h。
typedef enum
{
TIM1_BRK_TIM9_IRQn = 24, /*!< TIM1 Break interrupt and TIM9 global interrupt */
TIM1_UP_TIM10_IRQn = 25, /*!< TIM1 Update Interrupt and TIM10 global interrupt */
TIM1_TRG_COM_TIM11_IRQn = 26, /*!< TIM1 Trigger and Commutation Interrupt and TIM11 global interrupt */
TIM1_CC_IRQn = 27, /*!< TIM1 Capture Compare Interrupt */
TIM2_IRQn = 28, /*!< TIM2 global Interrupt */
TIM3_IRQn = 29, /*!< TIM3 global Interrupt */
TIM4_IRQn = 30, /*!< TIM4 global Interrupt */
TIM8_BRK_TIM12_IRQn = 43, /*!< TIM8 Break Interrupt and TIM12 global interrupt */
TIM8_UP_TIM13_IRQn = 44, /*!< TIM8 Update Interrupt and TIM13 global interrupt */
TIM8_TRG_COM_TIM14_IRQn = 45, /*!< TIM8 Trigger and Commutation Interrupt and TIM14 global interrupt */
TIM8_CC_IRQn = 46, /*!< TIM8 Capture Compare global interrupt */
TIM5_IRQn = 50, /*!< TIM5 global Interrupt */
} IRQn_Type;
参数 PreemptPriority 是 抢占优先级，可以选择范围：0 到 15，具体根据中断优先级分组决定。
参数 SubPriority 是 响应优先级，可以选择范围：0 到 15，具体根据中断优先级分组决定。
5.5.3、使能中断
HAL_NVIC_EnableIRQ() 函数是中断使能函数。其声明如下：
void HAL_NVIC_EnableIRQ(IRQn_Type IRQn);
其中，参数 IRQn 是 中断号，可以选择范围：IRQn_Type 定义的枚举类型，定义在 stm32f407xx.h。
5.6、使能定时器更新中断
#define __HAL_TIM_ENABLE_IT(__HANDLE__, __INTERRUPT__) ((__HANDLE__)->Instance->DIER |= (__INTERRUPT__))
5.7、使能捕获中断并启动计数器
HAL_StatusTypeDef HAL_TIM_IC_Start_IT(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel);
其中，htim 是 TIM_HandleTypeDef 结构体类型指针变量（亦称定时器句柄）。
Channel 是 定时器通道，范围：TIM_CHANNEL_1 到 TIM_CHANNEL_4。
该函数的返回值是 HAL_StatusTypeDef 枚举类型的值，有 4 个，分别是 HAL_OK 表示 成功，HAL_ERROR 表示 错误，HAL_BUSY 表示 忙碌，HAL_TIMEOUT 表示 超时。
5.8、编写中断服务函数
定时器中断服务函数为：TIMx_IRQHandler 等，当发生中断的时候，程序就会执行中断服务函数。
void TIM1_BRK_TIM9_IRQHandler(void);
void TIM1_BRK_TIM9_IRQHandler(void);
void TIM1_UP_TIM10_IRQHandler(void);
void TIM1_TRG_COM_TIM11_IRQHandler(void);
void TIM1_CC_IRQHandler(void);
void TIM2_IRQHandler(void);
void TIM3_IRQHandler(void);
void TIM4_IRQHandler(void);
void TIM5_IRQHandler(void);
void TIM8_BRK_TIM12_IRQHandler(void);
void TIM8_UP_TIM13_IRQHandler(void);
void TIM8_TRG_COM_TIM14_IRQHandler(void);
void TIM8_CC_IRQHandler(void);
HAL 库提供了一个定时器中断公共处理函数 HAL_TIM_IRQHandler()，该函数又会调用 HAL_TIM_PeriodElapsedCallback() 等一些回调函数，需要用户根据中断类型选择重定义对应的中断回调函数来处理中断程序。
HAL 库的更新中断回调函数：
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim);
HAL 库的输入捕获回调函数：
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim);
六、原理图
通过原理图分析可以得到，KEY_UP 按键一端接高电平，另一端接 PA0 引脚，按键按下时为高电平。此时，我们可以通过定时器 5 的通道 1 来捕获高电平脉宽时间。
七、程序源码
定时器输入捕获功能初始化函数：
TIM_HandleTypeDef g_tim5_handle;
/**
* @brief 定时器输入捕获初始化函数
*
* @param htim 定时器句柄
* @param TIMx 定时器寄存器基地址，可选值: TIMx, x可选范围: 1 ~ 5, 8 ~ 14
* @param prescaler 预分频系数，可选值: 0 ~ 65535
* @param period 自动重装载值，可选值: 0 ~ 65535
* @param channel 输入捕获的通道，可选值: TIM_CHANNEL_x, x可选范围: 1 ~ 4
* @param polarity 捕获极性，可选值: [TIM_ICPOLARITY_RISING, TIM_ICPOLARITY_FALLING, TIM_ICPOLARITY_BOTHEDGE]
*/
void TIM_IC_Init(TIM_HandleTypeDef *htim, TIM_TypeDef *TIMx, uint16_t prescaler, uint16_t period, uint32_t channel, uint32_t polarity)
{
TIM_IC_InitTypeDef TIM_IC_InitStruct = {0};
htim->Instance = TIMx; // 定时器寄存器基地址
htim->Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 计数模式
htim->Init.Prescaler = prescaler; // 预分频系数
htim->Init.Period = period; // 自动重装载值
HAL_TIM_IC_Init(htim);
TIM_IC_InitStruct.ICPolarity = polarity; // 捕获极性
TIM_IC_InitStruct.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; // 直接映射
TIM_IC_InitStruct.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; // 1分频
TIM_IC_InitStruct.ICFilter = 0; // 不滤波
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(htim, &TIM_IC_InitStruct, channel);
}
通用定时器 TIM5 的时钟来自 APB1，当 PPRE1 ≥ 2 分频的时候，通用定时器的时钟为 APB1 时钟的 2 倍, 而 APB1 为 42M, 所以定时器时钟 = 84Mhz。
定时器溢出时间计算方法:
如果，我们想以 1MHz 为计数频率，可以将 psc 设置为 71，arr 设置为 65535。
定时器对应通道的输入捕获底层初始化函数：
/**
* @brief 定时器输入捕获底层初始化函数
*
* @param htim 定时器句柄
*/
void HAL_TIM_IC_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
if (htim->Instance == TIM5)
{
__HAL_RCC_TIM5_CLK_ENABLE(); // 使能TIM5的时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 使能TIM5的Channel 1对应的GPIO时钟
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0; // TIM5的Channel 1对应的GPIO引脚
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 复用功能
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN; // 使用下拉
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF2_TIM5; // 复用功能选择
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM5_IRQn); // 使能定时器5中断
HAL_NVIC_SetPriority(TIM5_IRQn, 4, 0); // 设置中断优先级
}
}
定时器中断服务函数：
/**
* @brief 定时器5中断服务函数
*
*/
void TIM5_IRQHandler(void)
{
HAL_TIM_IRQHandler(&g_tim5_handle); // 调用HAL库公共处理函数
}
定时器更新中断回调函数：
uint8_t g_timxchy_capture_status = 0; // 输入捕获状态
uint16_t g_timxchy_capture_value = 0; // 输入捕获值
/**
* @brief 定时器更新中断回调函数
*
* @param htim 定时器句柄
*/
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM5)
{
if ((g_timxchy_capture_status & 0x80) == 0) // 还没有成功捕获
{
if (g_timxchy_capture_status & 0x40) // 已经捕获到了高电平
{
if ((g_timxchy_capture_status & 0x3F) == 0x3F) // 高电平时间太长了
{
// 清除原来的设置
TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1);
// 重新配置TIM5的通道1上升沿捕获
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_RISING);
g_timxchy_capture_status |= 0x80;
g_timxchy_capture_value = 0xFFFF;
}
else
{
g_timxchy_capture_status++; // 累计定时器溢出次数
}
}
}
}
}
g_timxchy_capture_status 用来记录捕获状态。该变量的位 7 用来记录是否成功完成捕获高电平，0：表示没有成功的捕获；1 表示：成功捕获到一次。该变量的位 6 用来表示是否已经捕获到高电平，0：表示还没捕获到高电平；1：表示已经捕获到高电平了。该变量的位 [5:0] 用来记录捕获高电平后溢出的次数，总共 6 位，所以最多可以记录溢出的次数为 2 的 6 次方减一次，即 63 次，所以最长捕获值= 63*65536+65535 = 4194303。
定时器输入捕获回调函数：
/**
* @brief 定时器输入捕获回调函数
*
* @param htim 定时器句柄
*/
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM5)
{
if ((g_timxchy_capture_status & 0x80) == 0) // 还没成功捕获完高电平
{
if (g_timxchy_capture_status & 0x40) // 捕获到一个下降沿
{
g_timxchy_capture_status |= 0x80; // 标记成功捕获到一次高电平脉冲
// 获取当前的捕获值
g_timxchy_capture_value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
// 清除原来的设置
TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1);
// 重新配置TIM5的通道1上升沿捕获
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_RISING);
}
else // 捕获到一个上升沿
{
g_timxchy_capture_status = 0; // 清空捕获状态
g_timxchy_capture_value = 0; // 清空捕获值
g_timxchy_capture_status |= 0x40; // 标记捕获到上升沿
__HAL_TIM_DISABLE(&g_tim5_handle); // 关闭定时器
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&g_tim5_handle, 0); // 重置计数器
// 清除原来的设置
TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1);
// 重新配置TIM5的通道1下降沿捕获
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_FALLING);
__HAL_TIM_ENABLE(&g_tim5_handle); // 使能定时器
}
}
}
}
我们可以通过如下思路捕获高电平的脉宽：首先，设置 TIM5_CH1 捕获上升沿，然后等待上升沿中断到来，当捕获到上升沿中断，此时如果 g_timxchy_capture_status 的第 6 位为 0，则表示还没有捕获到新的上升沿，就先把 g_timxchy_capture_status、g_timxchy_capture_value 和 TIM5_CNT 寄存器等清零，然后再设置 g_timxchy_capture_status 的第 6 位为 1，标记捕获到高电平，最后设置为下降沿捕获，等待下降沿到来。如果等待下降沿到来期间，定时器发生了溢出，就用 g_timxchy_capture_status 变量对溢出次数进行计数，当最大溢出次数来到的时候，就强制标记捕获完成，并配置定时器通道上升沿捕获。当下降沿到来的时候，先设置 g_timxchy_capture_status 的第 7 位为 1，标记成功捕获一次高电平，然后读取此时的定时器值到 g_timxchy_capture_value 里面，最后设置为上升沿捕获，回到初始状态。
这样，我们就完成一次高电平捕获了，只要 g_timxchy_capture_status 的第 7 位一直为 1，那么就不会进行第二次捕获，我们在 main 函数处理完捕获数据后，将 g_tim5ch1_capture_status 置零，就可以开启第二次捕获。
int main(void)
{
uint32_t temp = 0;
HAL_Init();
System_Clock_Init(8, 336, 2, 7);
Delay_Init(168);
HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4);
UART_Init(&g_usart1_handle, USART1, 115200);
TIM_IC_Init(&g_tim5_handle, TIM5, 83, 0xFFFF, TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_RISING);
printf("定时器输入捕获测试程序！\r\n");
__HAL_TIM_ENABLE_IT(&g_tim5_handle, TIM_IT_UPDATE); // 使能更新中断
HAL_TIM_IC_Start_IT(&g_tim5_handle, TIM_CHANNEL_1); // 使能通道输入以及使能捕获中断
while (1)
{
if (g_timxchy_capture_status & 0x80) // 成功捕获到一次高电平脉冲
{
temp = g_timxchy_capture_status & 0x3F;
temp *= 65535; // 溢出时间总和
temp += g_timxchy_capture_value; // 得到总的高电平时间
printf("High: %ld us\r\n", temp);
g_timxchy_capture_status = 0; // 开启下一次捕获
}
HAL_Delay(10);
}
return 0;
}
