[原创] 【连载】【ALIENTEK 战舰STM32开发板】STM32开发指南--第十五章 输入捕获实验

上一章，我们介绍了STM32的通用定时器作为PWM输出的使用方法，这一章，我们将向大家介绍通用定时器作为输入捕获的使用。在本章中，我们将用TIM5的通道1（PA0）来做输入捕获，捕获PA0上高电平的脉宽（用WK_UP按键输入高电平），通过串口打印高电平脉宽时间，从本章分为如下几个部分：

15.1 输入捕获简介

15.2 硬件设计

15.3 软件设计

15.4 下载验证

输入捕获模式可以用来测量脉冲宽度或者测量频率。STM32的定时器，除了TIM6和TIM7，其他定时器都有输入捕获功能。STM32的输入捕获，简单的说就是通过检测TIMx_CHx上的边沿信号，在边沿信号发生跳变（比如上升沿/下降沿）的时候，将当前定时器的值（TIMx_CNT）存放到对应的通道的捕获/比较寄存器（TIMx_CCRx）里面，完成一次捕获。同时还可以配置捕获时是否触发中断/DMA等。

本章我们用到TIM5_CH1来捕获高电平脉宽，也就是要先设置输入捕获为上升沿检测，记录发生上升沿的时候TIM5_CNT的值。然后配置捕获信号为下降沿捕获，当下降沿到来时，发生捕获，并记录此时的TIM5_CNT值。这样，前后两次TIM5_CNT之差，就是高电平的脉宽，同时TIM5的计数频率我们是知道的，从而可以计算出高电平脉宽的准确时间。

接下来，我们介绍我们本章需要用到的一些寄存器配置，需要用到的寄存器有：TIMx_ARR、TIMx_PSC、TIMx_CCMR1、TIMx_CCER、TIMx_DIER、TIMx_CR1、TIMx_CCR1这些寄存器在前面2章全部都有提到(这里的x=5)，我们这里就不再全部罗列了，我们这里针对性的介绍这几个寄存器的配置。

首先TIMx_ARR和TIMx_PSC，这两个寄存器用来设自动重装载值和TIMx的时钟分频，用法同前面介绍的，我们这里不再介绍。

再来看看捕获/比较模式寄存器1：TIMx_CCMR1，这个寄存器在输入捕获的时候，非常有用，有必要重新介绍，该寄存器的各位描述如图15.1.1所示：

图15.1.1 TIMx_CCMR1寄存器各位描述

       当在输入捕获模式下使用的时候，对应图15.1.1的第二行描述，从图中可以看出，TIMx_CCMR1明显是针对2个通道的配置，低八位[7：0]用于捕获/比较通道1的控制，而高八位[15：8]则用于捕获/比较通道2的控制，因为TIMx还有CCMR2这个寄存器，所以可以知道CCMR2是用来控制通道3和通道4（详见《STM32参考手册》290页，14.4.8节）。

       这里我们用到的是TIM5的捕获/比较通道1，我们重点介绍TIMx_CMMR1的[7:0]位（其实高8位配置类似），TIMx_CMMR1的[7:0]位详细描述见图15.1.2所示：

图15.1.2 TIMx_CMMR1 [7:0]位详细描述

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（关于IC1，TI1不明白的，可以看《STM32参考手册》14.2节的图98-通用定时器框图），即CC1对应TIMx_CH1。

输入捕获1预分频器IC1PSC[1:0]，这个比较好理解。我们是1次边沿就触发1次捕获，所以选择00就是了。

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，是定时器的输入频率（TIMxCLK），一般为72Mhz，而则是根据TIMx_CR1的CKD[1:0]的设置来确定的，如果CKD[1:0]设置为00，那么=。N值就是滤波长度，举个简单的例子：假设IC1F[3:0]=0011，并设置IC1映射到通道1上，且为上升沿触发，那么在捕获到上升沿的时候，再以 的频率，连续采样到8次通道1的电平，如果都是高电平，则说明却是一个有效的触发，就会触发输入捕获中断（如果开启了的话）。这样可以滤除那些高电平脉宽低于8个采样周期的脉冲信号，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，只要采集到上升沿，就触发捕获。

再来看看捕获/比较使能寄存器：TIMx_CCER，该寄存器的各位描述见图14.1.2（在第14章）。本章我们要用到这个寄存器的最低2位，CC1E和CC1P位。这两个位的描述如图15.1.3所示：

图15.1.3 TIMx_CCER最低2位描述

       所以，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。

接下来我们再看看DMA/中断使能寄存器：TIMx_DIER，该寄存器的各位描述见图13.1.2（在第13章），本章，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。

控制寄存器：TIMx_CR1，我们只用到了它的最低位，也就是用来使能定时器的，这里前面两章都有介绍，请大家参考前面的章节。

最后再来看看捕获/比较寄存器1：TIMx_CCR1，该寄存器用来存储捕获发生时，TIMx_CNT的值，我们从TIMx_CCR1就可以读出通道1捕获发生时刻的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。

至此，我们把本章要用的几个相关寄存器都介绍完了，本章要实现通过输入捕获，来获取TIM5_CH1(PA0)上面的高电平脉冲宽度，并从串口打印捕获结果。下面我们介绍输入捕获的配置步骤：

要使用TIM5，我们必须先开启TIM5的时钟(通过APB1ENR设置)。这里我们还要配置PA0为下拉输入，因为我们要捕获TIM5_CH1上面的高电平脉宽，而TIM5_CH1是连接在PA0上面的。

在开启了TIM5的时钟之后，我们要设置ARR和PSC两个寄存器的值来设置输入捕获的自动重装载值和计数频率。

TIM5_CCMR1寄存器控制着输入捕获1和2的模式，包括映射关系，滤波和分频等。这里我们需要设置通道1为输入模式，且IC1映射到TI1(通道1)上面，并且不使用滤波（提高响应速度）器。

TIM5_CCER寄存器是定时器的开关，并且可以设置输入捕获的边沿。只有TIM5_CCER寄存器使能了输入捕获，我们的外部信号，才能被TIM5捕获到，否则一切白搭。同时要设置好捕获边沿，才能得到正确的结果。

因为我们要捕获的是高电平信号的脉宽，所以，第一次捕获是上升沿，第二次捕获时下降沿，必须在捕获上升沿之后，设置捕获边沿为下降沿，同时，如果脉宽比较长，那么定时器就会溢出，对溢出必须做处理，否则结果就不准了。这两件事，我们都在中断里面做，所以必须开启捕获中断和更新中断。

设置了中断必须编写中断函数，否则可能导致死机。我们需要在中断函数里面完成数据处理和捕获设置等关键操作，从而实现高电平脉宽统计。

最后，必须打开定时器的计数器开关，通过设置TIM5_CR1的最低位为1，启动TIM5的计数器，开始输入捕获。

通过以上6步设置，定时器5的通道1就可以开始输入捕获了，同时因为还用到了串口输出结果，所以还需要配置一下串口。

本实验用到的硬件资源有：

1）  指示灯DS0

2）  WK_UP按键

3）  串口

4）  定时器TIM3

5）  定时器TIM5

前面4个，在之前的章节均有介绍。本节，我们将捕获TIM5_CH1（PA0）上的高电平脉宽，通过WK_UP按键输入高电平，并从串口打印高电平脉宽。同时我们保留上节的PWM输出，大家也可以通过用杜邦线连接PB5和PA0，来测量PWM输出的高电平脉宽。

本章，我们依旧是在前一章的基础上修改代码，先打开之前的工程，然后我们在上一章的基础上，在timer.c里面加入如下代码：

//定时器5通道1输入捕获配置

//arr：自动重装值

//psc：时钟预分频数

void TIM5_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)

{            

       RCC->APB1ENR|=1<<3;          //TIM5 时钟使能

       RCC->APB2ENR|=1<<2;         //使能PORTA时钟      

       GPIOA->CRL&=0XFFFFFFF0;   //PA0 清除之前设置  

       GPIOA->CRL|=0X00000008;       //PA0 输入   

       GPIOA->ODR|=0<<0;                 //PA0 下拉      

      TIM5->ARR=arr;                      //设定计数器自动重装值   

       TIM5->PSC=psc;                       //预分频器

       TIM5->CCMR1|=1<<0;               //CC1S=01     选择输入端 IC1映射到TI1上

      TIM5->CCMR1|=0<<4;              //IC1F=0000 配置输入滤波器 不滤波

      TIM5->CCMR1|=0<<10;             //IC2PS=00    配置输入分频,不分频

       TIM5->CCER|=0<<1;                 //CC1P=0       上升沿捕获

       TIM5->CCER|=1<<0;                 //CC1E=1      允许捕获计数器的值到捕获寄存器中

       TIM5->DIER|=1<<1;                //允许捕获中断                          

       TIM5->DIER|=1<<0;                //允许更新中断     

       TIM5->CR1|=0x01;                  //使能定时器2

       MY_NVIC_Init(2,0,TIM5_IRQChannel,2);//抢占2，子优先级0，组2      

}

//捕获状态

//[7]:0,没有成功的捕获;1,成功捕获到一次.

//[6]:0,还没捕获到高电平;1,已经捕获到高电平了.

//[5:0]:捕获高电平后溢出的次数

u8  TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;    //输入捕获状态                                            

u16  TIM5CH1_CAPTURE_VAL  ;      //输入捕获值

//定时器5中断服务程序     

void TIM5_IRQHandler(void)

{               

       u16 tsr;

       tsr=TIM5->SR;

      if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//还未成功捕获     

       {

              if(tsr&0X01)//溢出

              {         

                     if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)//已经捕获到高电平了

                     {

                            if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//高电平太长了

                            {

                                   TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//标记成功捕获了一次

                                   TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFF;

                            }else TIM5CH1_CAPTURE_STA++;

                     }     

              }

              if(tsr&0x02)//捕获1发生捕获事件

              {     

                     if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)        //捕获到一个下降沿           

                     {                        

                            TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;     //标记成功捕获到一次高电平脉宽

                         TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM5->CCR1;//获取当前的捕获值.

                           TIM5->CCER&=~(1<<1);                  //CC1P=0 设置为上升沿捕获

                     }else                                                       //还未开始,第一次捕获上升沿

                     {

                            TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;           //清空

                            TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0;

                            TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40;     //标记捕获到了上升沿

                           TIM5->CNT=0;                                 //计数器清空

                           TIM5->CCER|=1<<1;                        //CC1P=1 设置为下降沿捕获

                     }               

              }                                                                       

      }

       TIM5->SR=0;//清除中断标志位     

}

此部分代码包含2个函数，其中TIM5_Cap_Init函数用于TIM5通道1的输入捕获设置，其设置和我们上面讲的步骤是一样的，这里就不多说，重点来看看第二个函数。

TIM5_IRQHandler是TIM5的中断服务函数，该函数用到了两个全局变量，用于辅助实现高电平捕获。其中TIM5CH1_CAPTURE_STA，是用来记录捕获状态，该变量类似我们在usart.c里面自行定义的USART_RX_STA寄存器。TIM5CH1_CAPTURE_STA各位描述如表15.3.1所示：

表15.3.1 TIM5CH1_CAPTURE_STA各位描述

       另外一个变量TIM5CH1_CAPTURE_VAL，则用来记录捕获到下降沿的时候，TIM5_CNT的值。

       现在我们来介绍一下，捕获高电平脉宽的思路：首先，设置TIM5_CH1捕获上升沿，这在TIM5_Cap_Init函数执行的时候就设置好了，然后等待上升沿中断到来，当捕获到上升沿中断，此时如果TIM5CH1_CAPTURE_STA的第6位为0，则表示还没有捕获到新的上升沿，就先把

TIM5CH1_CAPTURE_STA、TIM5CH1_CAPTURE_VAL和TIM5->CNT等清零，然后再设置TIM5CH1_CAPTURE_STA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，就在TIM5CH1_CAPTURE_STA里面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（虽然此时还没有捕获到下降沿）。当下降沿到来的时候，先设置TIM5CH1_CAPTURE_STA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TIM5CH1_CAPTURE_VAL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TIM5CH1_CAPTURE_STA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TIM5CH1_CAPTURE_STA置零，就可以开启第二次捕获。

接着我们修改timer.h如下：

#ifndef __TIMER_H

#define __TIMER_H

#include "sys.h"

//通过改变TIM3->CCR2的值来改变占空比，从而控制LED0的亮度

#define LED0_PWM_VAL TIM3->CCR2

void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc);

void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc);

void TIM5_Cap_Init(u16 arr,u16 psc);

#endif

这里比较简单，就不多说了。

接下来，我们修改主程序里面的main函数如下：

extern u8  TIM5CH1_CAPTURE_STA;     //输入捕获状态                                            

extern u16      TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //输入捕获值

int main(void)

{                  

       u32 temp=0;         

      Stm32_Clock_Init(9);                  //系统时钟设置

       uart_init(72,9600);                    //串口初始化为9600

       delay_init(72);                                //延时初始化

       LED_Init();                               //初始化与LED连接的硬件接口

      TIM3_PWM_Init(899,72-1);       //不分频。PWM频率=72000/(899+1)=80Khz

      TIM5_Cap_Init(0XFFFF,72-1);    //以1Mhz的频率计数

     while(1)

       {

             delay_ms(10);

              LED0_PWM_VAL++;

              if(LED0_PWM_VAL==300)LED0_PWM_VAL=0;                  

             if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)               //成功捕获到了一次高电平

              {

                     temp=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F;

                     temp*=65536;                                           //溢出时间总和

                     temp+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL;           //得到总的高电平时间

                     printf("HIGH:%d us\r\n",temp);                 //打印总的高点平时间

                     TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;                  //开启下一次捕获

              }

       }

}

该main函数是在PWM实验的基础上修改来的，我们保留了PWM输出，同时通过设置TIM5_Cap_Init(0XFFFF,72-1)，将TIM5_CH1的捕获计数器设计为1us计数一次，并设置重装载值为最大，所以我们的捕获时间精度为1us。

主函数通过TIM5CH1_CAPTURE_STA的第7位，来判断有没有成功捕获到一次高电平，如果成功捕获，则将高电平时间通过串口输出到电脑。

至此，我们的软件设计就完成了。

在完成软件设计之后，将我们将编译好的文件下载到战舰STM32开发板上，可以看到DS0的状态和上一章差不多，由暗à亮的循环。说明程序已经正常在跑了，我们再打开串口调试助手，选择对应的串口，然后按WK_UP按键，可以看到串口打印的高电平持续时间，如图15.4.1所示：

图15.4.1 PWM控制DS0亮度

       从上图可以看出，其中有2次高电平在50us以内的，这种就是按键按下时发生的抖动。这就是为什么我们按键输入的时候，一般都需要做防抖处理，防止类似的情况干扰正常输入。大家还可以用杜邦线连接PA0和PB5，看看上一节中我们设置的PWM输出的高电平是如何变化的。