[原创] 电机控制基础——定时器捕获单输入脉冲原理

DDZZ669 2021-2-28 14:58 楼主

上篇[电机控制基础——定时器基础知识与PWM输出原理](https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1157028-1-1.html)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)。
- CCx 通道配置为**输出**：
 - 0：OCx 高电平有效
 - 1：OCx低电平有效
- 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。
 - 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。
- 位 12、8、4、0**CCxE**：捕获 /比较 x 输出使能 (Capture/Comparex output enable)。
- CCx 通道配置为**输出**：
 - 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。
 - 0：禁止捕获
 - 1：使能捕获
## 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**：
```c
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）：
```c
TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_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);
```

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