高级计时器TIM1：输入捕获功能功能实现信号周期与占空比测量

合集 - STM8S单片机入门应用_寄存器配置(21)

1.前言与基础知识2024-11-162.GPIO通用输入输出端口2024-11-163.GPIO输出应用：流水灯2024-11-214.GPIO输出应用：数码管2024-11-215.GPIO输入应用：按键2024-11-216.中断2024-11-177.外部中断应用：按键2024-11-218.时钟源2024-11-249.基本计时器TIM4：STM8的定时器/计数器资源综述2024-11-2410.单片机线反转法实现矩阵键盘2024-11-2511.高级计时器TIM1：概述与外部时钟模式实现外部脉冲计数2024-11-29

12.高级计时器TIM1：输入捕获功能功能实现信号周期与占空比测量2024-11-29

13.高级计时器TIM1：STM8的PWM输出功能实现呼吸灯2024-11-2914.STM8的ADC模数转换器01-0815.嵌入式串行通信导论01-0916.UART异步串行通信协议01-0917.SPI同步串行通信协议01-1118.I2C同步串行通信协议01-2019.STM8的看门狗01-0620.单片机的系统功耗控制/电源模式管理/AWU自动唤醒01-2121.STM8的储存器01-26

收起

信号周期测量

输入捕获功能

• 输入捕获的定义

  上一章介绍的两种计数方法只能对外部信号进行边沿识别与计数，如果需要测量信号波形的幅值、周期、频率和占空比，就需要用到TIM1的输入捕获功能(TIM2/3也有此功能，因为TIM1功能最全且三者配置方法都类似，因此只介绍TIM1)

  顾名思义，输入捕获功能就是把通过TIM1_CHx通道输入的信号捕获，经过处理之后交给CPU进行操作

• 输入捕获功能流程

  1. 信号从输入捕获通道TIM1_CHx(也即前文提到的PC1-4引脚)进入，产生TIx信号

  2. 经过滤波器和边沿检测器，产生两路相同的信号TIxFP1和TIxFP2

  3. TIxFP1送入IC1单元(输入捕获1)用于测量信号周期

     TIxFP2送入IC2可以用于配合测量信号占空比

  4. 检测到ICx单元的相应边沿后，TIM1的计数值器寄存器CNTRH和CNTRL中的值会被锁存到相应的捕获/比较寄存器CCRx中

  5. 发生捕获事件后状态寄存器SR1的标志位CCxIF会被置1，表示计数值已经拷贝到了CCRx寄存器，如果又发生了一层捕获事件，那么CCxOF将会被置1，这两个位可以用软件来置0清除

• 输入捕获实现周期测量

  前文的计数功能中，已经知道怎样检测所需的信号极性

  而对于一个信号，当识别到某一边沿后，隔一段时间再检测到了下一相同边沿，那么就可以判断这个信号经过了一个周期，这两个边沿相隔的时间就是一个周期的时长

  要实现这一过程，关键在于：

  1. 通过TIM1的状态寄存器TIM1_SR1/2相应位来判断是否检测到了边沿
  2. 通过TIM1的捕获比较寄存器TIM1_CCRx中的计数值来判断检测到捕获时的时间

  由上可得到周期的计算公式：

  f_外部信号=(预分频因子*计时器时钟频率)/(二次捕获值-一次捕获值)

输入捕获功能配置简述

1. 选择并启用输入通道

   配置TIM1_CCMRx寄存器的CCxS[1:0]位(位1:0)，将通道配置为输入模式

   例如：选择TIM1_CH1为信号输入通道，就将TIM1_CCMR1中的CC1S位配置为01，使CC1通道被配置为输入，IC1映射到TI1FP1上

2. 设置信号采样率以及滤波器

   配置TIM1_CCMRx的ICxF[3:0]位(位7:4)

3. 设置信号沿极性

   配置TIM1_CCERx的CC1P位(位1)，0为高电平或上升沿有效，1则相反

4. 配置输入捕获通道预分频器

   配置TIM1_CCMRx的ICxPSC[1:0]位(位3:2)

5. 使能捕获功能

   使用TIM1_CH1，则配置TIM1_CCER1寄存器的CC1E位(位1)为1

6. 使能捕获中断

   如果需要，还可以启用捕获中断

   配置中断使能寄存器TIM1_IER中的CCxIE位(x的值取决于使用的通道)为1

7. 使能TIM1计数器

   配置TIM1_CR1_CEN=1

输入捕获相关寄存器

• 这些寄存器有些在上一章中已有介绍，此处仅介绍与输入捕获相关的功能，其它不再赘述

• 捕获/比较模式寄存器TIM1_CCMRx

  有用于配置信号采样率与预分频器的ICxF位与ICxPSC位，以及配置通道功能的CCxS位

  注意各个通道有对应的CCMR寄存器，CH1对应CCMR1，另有CCMR2/3/4，各个寄存器中控制位的位置相同，但是控制的通道不同，可见使用TIM1计数功能章节的CCMR1，不再赘述

• 捕获/比较使能寄存器TIM1_CCER1/2

  用于配置信号极性的CCxP位与使能捕获功能的CCxE位

  一共有两个CCER寄存器，比如：在配置信号极性时，如果使用CH1或CH2，则设定TI1F或TI2F，配置TIM1_CCER1的CC1P或CC2P，如果要使用TIM1_CH3/4就需要配置TIM1_CCER2的CC3P(位1)或CC4P(位5)

• 状态寄存器TIM1_SR1/2

  用于反映计时器状态，类似TIM4_SR，不过因为TIM1的功能更多、要控制四个通道，因此要反映的状态也更多，需要用到两个寄存器

  在TIM1_SR1中的配置位有CCxIF位，用于反映捕获到了设置的边沿

  

  这个寄存器是实现周期测量的关键：周期测量的原理是识别到某一边沿后，到下一相同边沿的时间就是该信号的周期时间，通过查询TIM1_SR1状态寄存器的捕获标志位CCxIF实现这一过程：在输入模式下，当检测到与所选极性相同的边沿信号时，CCxIF就会被置1

  在TIM1_SR2中的配置位是CCxOF位，用于反映重复发生的捕获，这是之后实现占空比测量的关键

  

• 捕获/比较寄存器TIM1_CCRx

  用于储存检测到ICx单元的相应边沿后，TIM1的计数值器寄存器CNTRH和CNTRL中的值

  因为有4个独立比较/捕获通道，所以ICx单元有4个；而又因为16位的计数值需要分高低两个寄存器来储存，所以CCRx寄存器总共有8个

• 启用中断的中断使能寄存器TIM1_IER和启动计时器的控制寄存器TIM1_CRx与之前都是一样的，不再赘述

代码实现

• CH1通道测量信号周期

  识别到某一边沿后，到下一相同边沿的时间就是该信号的周期时间，这通过查询TIM1_SR1状态寄存器的捕获标志位CC1IF实现这一过程：当CC1IF为1，则在IC1单元上检测到了与TIM1_CCER1_CC1P位所配置相同的极性

  而标志位变化时，计数器值已经被复制到了捕获/比较寄存器TIM1_CCR1H/L中，通过公式：f_外部信号=(预分频因子*计时器时钟频率)/(二次捕获值-一次捕获值)计算得到真实周期

  //得到第一次捕获值后和第二次捕获值后，禁用捕获功能
  //用第二次捕获值减去第一次捕获值，得到信号周期的计数值
  //若有预分频处理则计数值还需进一步处理得到真实时间
  TIM1_CCER1H = 0x00;
  TIM1_CCER1L = 0x00;//清除捕获/比较寄存器
  TIM1_CCER1 |= 0x01;//捕获功能使能
  //此处演示查询方式：
  while((TIM1_SR1&0x02)==0);//等待捕获比较标志位1CC1IF变为1
  A = (u16)TIM1_CCR1H<<8;//取回捕获/比较寄存器高八位
  A |= TIM1_CCR1L;//取回捕获/比较寄存器低八位
  while((TIM1_SR1&0x02)==0);//等待捕获比较标志位1CC1IF变为1
  B = (u16)TIM1_CCR1H<<8;//取回捕获/比较寄存器高八位
  B |= TIM1_CCR1L;//取回捕获/比较寄存器低八位
  TIM1_CCER1&=OxFE;//捕获功能禁止
  
  sys_num = B-A;//得到信号周期计数值，由于工作频率不同，这个值还不反映真实的周期
  F_num = 8*SYS_CLOCK/SYS_num;//计算频率值，假设为8分频
  //SYS_CLOCK是系统当前的f_master频率值，以宏定义方式写在程序开头
  

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信号占空比测量

复位触发模式

• 复位触发模式的定义

  • TIM1支持4种触发输入：ETR、TI1、TI2、和来自TIM5/6的TRGO信号
  • 而TIM1使用三种模式与外部的触发信号同步：标准触发模式、复位触发模式、门控触发模式
  • 所谓复位触发，指的是触发事件到来时会对计数器和预分频器进行初始化（如果CR1的URS位为0，那么还将产生一个更新事件UEV，然后所有预装载寄存器都被更新）
  • 简而言之：计时器依据内部时钟正常计数，直到输入信号TIx出现一个上升沿，此时计数器会被清零，然后重新计数；与此同时，状态寄存器TIM1_SR1的TIF位(触发标志)会被置1（如果使能了中断则会产生一个中断请求）

• 复位触发实现占空比测量

  • 所谓占空比，就是指一个周期内，信号处于高电平的时间占整个周期的百分比。例如，一个方波的占空比是50%，因此可知只要测量高电平脉冲的宽度，再测得信号周期，两个值相比便是占空比

  问题关键在于如何测量高电平脉冲宽度，这一点可以借助TIM1输入捕获的边沿检测实现，具体流程如下：

  1. 在检测到第一个上升沿后，开始计数，再到第一个下降沿时取出计数值，这个值便是高电平脉宽；
  2. 然后继续计数，直到检测到第二个上升沿，此时的计数值便是整个周期
  • 这个过程中较为稳妥的处理方式是：在上升沿到来时，将当前计数器值取出存放，然后自动清零计数器，紧接着开始下一次启动，也就是复位触发模式

复位触发模式配置简述

1. 配置捕获/比较通道TIM1_CHx

   按需配置TIM1_CCMRx的预分频器、滤波器、输入捕获源，这些同上文输入捕获功能的配置

   重点在于配置检测极性，为了检测高电平脉宽，要设为上升沿

2. 设定复位触发模式

   以CH1通道为例，配置从模式控制寄存器TIM1_SMCR中的SMS[2:0]位为100（启用复位触发模式）

   然后配置TS[2:0]位为101（因为使用CH1，所以选择TI1FP1作为输入源）

3. 启动计时器

   配置控制寄存器TIM1_CR1_CEN位为1

代码实现

• CH1通道测量信号占空比

  因为占空比的计算需要高电平脉宽和周期两个数据，恰好利用上输入时TIx产生的两路相同信号TIxFP1和TIxFP2，对于CH1而言就是TI1FP1与TI1FP2这两路信号

  //首先设置具体的输入通道，此处选择捕获/比较1通道，对应PC1/TIM1_CH1
  TIM1_CCMR1 |= 0x01; //CC1S[1:0]设置为01，TI1FP1连接到IC1
  TIM1_CCER1 &= 0xFD; //CC1P位置0，捕捉TI1FP1的高电平或上升沿
  TIM1_CCMR2 |= 0x02; //CC2S[1:0]配置为10，TI1FP2连接到IC2
  TIM1_CCER1 |= 0x20; //CC2P位置1，捕捉TI1FP2的低电平或下降沿
  //现在就完成了两路信号的触发输入与触发边沿，接下来选定具体的复位触发信号
  TIM1_SMCR |= 0x50; //TS[2:0]=101，配置触发输入信号为TI1FP1
  TIM1_SMCR |= 0x04; //SMS[2:0]=100，配置复位触发模式
  //接下来使能两路信号的捕获功能与计数器功能
  TIM1_CCER1 |= 0x11; //置1使能CC1E与CC2E捕获功能
  TIM1_CR1 |= 0x01;//使能计数器
  
  //之后就可以进行具体测量了，获得两个值：IC1捕获高电平脉宽，IC2捕获信号周期
  TIM1_SR1 &= 0xF9; //清除CC1IF和CC2IF标志位
  TIM1_SR2 &= 0xFD; //清除CC1OF标志位
  TIM1_CCER1 |= 0x11; //开启捕获功能
  while((TIM1_SR1&0x02)==0); //等待捕获比较标志位CC1IF变为1
  while((TIM1_SR1&0x04)==0); //等待捕获比较标志位CC2IF变为1
  A_num = (u16)TIM1_CCR2H<<8; //取高电平脉宽的高8位
  A_num |= TIM1_CCR2L; //取高电平脉宽的低8位
  while((TIM1_SR2&0x02)==0); //等待重复捕获比较标志位CC1OF变为1
  B_num = (u16)TIM1_CCR1H<<8; //取周期的高8位
  B_num |= TIM1_CCR1L; //取周期的低8位
  TIM1_CCER1 &= 0xEE; //或者置0把禁止捕获功能
  F_num = SYS_CLOCK/B_num; //计算实际的频率值
  Duty = (A_num*10000/B_num); //计算占空比，乘10000是为了保留小数
  //需要注意，随着输入频率的增大，占空比参数的测量误差总体上增大