2023年02月28日 | 【话说定时器系列】之十：PWM输入模式测量脉宽及占空比实验

STM32定时器是 ST MCU 内部最基础且常用的外设，实际应用尤为普遍。去年，电堂推出了《STM32 TIMER基础及常规应用介绍》，为大家梳理了 STM32 TIMER 的庞大内容，涵盖 TIMER 的基本应用原理、常规应用等。现在将课程内容整理为文章，针对STM32定时器有基本了解的用户，分享具体的应用实现环节及常见问题解决。

1. 实验内容

使用STM32定时器PWM输入模式测量脉宽及占空比。

上一节介绍了利用定时器输入捕获功能，通过定时器的单个通道来实现对1路外来信号脉冲宽度及占空比进行测量，并在测量过程中统计和计算用于测量的定时器自身的溢出事件。这里将介绍另外一种测量脉宽及占空比的方式。利用定时器PWM输入模式结合定时器的从模式来实现对外来信号脉冲宽度及占空比的测量，同时，也在测量过程中统计和计算用于测量的定时器自身的溢出事件。这里用到的开发板：STM32F411 Nucleo 板 【实验对开发板并无特别要求】，集成开发环境不限。这里用的是ARM MDK IDE。

2. 实验目的

1、熟悉定时器时基单元的基本寄存器及相关数据的拟定。

2、了解通过STM32定时器实现PWM波形输出的配置与使用。【因为这里要使用一个定时器TIM3的pwm输出产生一个待测脉冲信号】

3、熟悉定时器PWM输入模式测量脉冲宽度的基本原理与实现。

4、通过实验熟悉有关定时器复位从模式的原理与特征，并熟悉相关事件或中断。

3. 实验原理及步骤

3.1、实验步骤

这里使用32F411Nucleo板的板载芯片内的TIM3的通道1产生一个周期为5s，占空比为40%的PWM输出信号，然后用连线将该信号连接到TIM4的定时器通道2【TI2】，作为其直接输入，通过它对来自于TIM3的PWM输出信号进行脉宽及占空比的测量。

• 先说说PWM输入模式工作原理

• 它是基于输入捕获与定时器从模式相结合的一个具体应用

• 同一个外部输入引脚【仅限于定时器TI1/TI2的】的输入滤波信号【TIxFPx】映射到2个捕捉通道【仅限于IC1/IC2】，且配置为相反的捕捉极性，即一个通道捕捉上沿，另一个通道捕捉下沿。

• 用于测量的定时器配置在复位从模式，外部输入信号的滤波信号TIxFPx作为定时器的触发信号。

• 经过两次连续的捕捉以及定时器的溢出事件统计可方便地测得信号的周期及占空比。【提醒：本实验待测信号周期完全可以长于定时器计数周期，因为测试过程中我们会统计定时器的溢出事件】

3.2、测量过程

具体到这里，当TIM4收到触发信号时，定时器的计数器会被复位更新。当计数器配置为UP计数模式时，计数器会被清零并重新开始计数。另外，这里的触发信号来自待测信号,其触发极性可以软件配置。

大致测量过程是这样的：TIM4配置在复位从模式。待测信号从TI2输入。【本实验中的待测信号来自TIM3的PWM输出】

当从通道2出现信号的上升沿时，TIM4计数器被复位清零，同时产生更新事件和触发事件，相关标志位会被置1.

在初始状态【没进入测量的状态】下，将定时器从模式触发沿配置为上沿触发，捕捉通道1配置下沿捕捉，捕捉通道2配置为上沿捕捉。初始状态下，待测信号的上升沿使得TIM4的计数器被复位清零，并进入测量状态1，并开启定时器的溢出事件实时统计，代码里用到的变量是Num_OvEvent。当发生通道1的下沿捕捉时，记录下第1次的捕捉值【Vaule_1stCap】，并记录下自复位以来到下沿捕捉这段事件的溢出次数，放在变量Front_Num_OvEvent里。然后进入状态2。在状态2的情况下当发生通道2的上沿捕获时，记录下第2次的捕捉值【Vaule_2ndCap】，并将整个测试周期内定时器溢出次数记录在【Total_Num_OvEvent】，然后进入状态3进行占空比【Signal_Duty】和脉宽【Signal_Cycle】的计算。完毕后回到初始状态，准备下次的测量。

另外，在TIM4的更新中断里对非初始状态的溢出事件累加统计，放在变量【Num_OvEvent】里。

实验代码里用到一个变量Measure_State来记录和表示当前测试状态,大致流程如下。

不难看出，在整个测量过程中，我使用触发脉冲产生的触发事件作为每次开启测量的起始标志。

3.3、 测量用到的算式

根据上面的介绍，1次完整的测量下来，测得的周期和占空比可以用下面算式求得：Signal_Duty =(Vaule_1stCap+(Front_Num_OvEvent*(TIM4_PERIOD+1)))/ (Vaule_2ndCap+(Total_Num_OvEvent*(TIM4_PERIOD+1)));

Signal_Freq=(Clk_Internal/(TIM4_PSC+1))/(Vaule_2ndCap+(Total_Num_OvEvent* (TIM4_PERIOD+1)))；因为：计数器时钟= Clk_Internal /(TIM4_PSC+1)或者说：

Signal_Freq =计数器时钟/(Vaule_2ndCap+(Total_Num_OvEvent*(TIM4_PERIOD+1)));

3.4、 基本配置准备

3.4.1 、实现TIM3 通道1的PWM输出，计数周期5s,占空比40%，用来做被测量信号。

A、选择定时器内部时钟作为时钟源，STM32F411芯片定时器内部时钟为100Mhz；

B、设置分频比，选择计数模式、设置计数脉冲个数；

对时钟源20000分频,PSC=20000-1;选择向上计数模式up counting;

计数器基于分频后的脉冲每计数25000个后，发生溢出并产生更新事件及中断。则：ARR=25000-1

按照上面参数来设计，定时器的定时周期或者说溢出周期就是5s.

C、它需做PWM输出，这里选择PWM 模式1，占空比为40%，则CCR=（ARR+1）*0.40 =10,000

CubeMx图形化配置界面：

3.4.2 、实现TIM4通道2做PWM模式输入测量，假定tim4计数器溢出周期为20ms.

先做时基参数的配置：

1、选择定时器内部时钟为时钟源，32F411定时器内部时钟为100Mhz；

2、设置分频比，选择计数模式、设置计数脉冲个数；

先对时钟源100分频、即PSC=100-1; 选择向上计数模式up counting;

计数器基于分频后的脉冲每计数20000个，发生溢出并产生更新事件及中断。则：ARR=20000-1

按照上面参数来设计，定时计数周期或者说溢出周期就是20ms.

再看看定时器TIM4主从模式配置和捕获配置：TIM4输入捕捉通道2配置为直接输入捕捉，捕捉极性选择上升沿。TIM4输入捕捉通道1配置为间接输入捕捉，捕捉极性选择为下降沿。

3.5 、工程代码的生成、添加和整理

通过STM32CUBEMX依据上述参数完成配置，并开启TIM4的中断使能，然后生成工程。再在工程里添加应用户代码。

//__HAL_TIM_CLEAR_IT(&htim4, TIM_IT_UPDATE);

//__HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim4, TIM_IT_UPDATE);

HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim4, TIM_CHANNEL_2);HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim4, TIM_CHANNEL_1); MeasMure_State = 0x00; Num_OvEvent = 0x00; __HAL_TIM_CLEAR_IT(&htim4, TIM_IT_TRIGGER);

TIM4中断处理代码说明：

发生触发事件时，进入测量状态：

在TIM4通道1发生下沿捕捉事件时：

在TIM4通道2发生上沿捕捉事件时：

另外，在测试状态下，TIM4的更新中断对溢出事件进行统计。

4. 实验结果验证

实验中tim4的时基参数保持不变，主要调整TIM3的PWM输出波形的脉宽和占空比，来看看实验结果。尤其看看当待测脉宽远长于TIM4定时器的溢出周期时的情况。

为了便于参数的修改和测试，这里针对TIM3和TIM4的时基参数定义了几个宏：

我们选取几组数据，直接联机观察运行结果。// pulse cycle = ((TIM3_PSC+1) * (TIM3_PERIOD+1))/100,000,000 【s】// 5s ==>500,000,000 // 9s ==>900,000,000 //80ms ==>8,000,000 //20ms ==>2,000,000 //100us ==>10,000 //10us ==>1000 //5us ==>500

小结

上面实验的实现思路及提到的代码，仅供参考，旨在抛砖引玉。

其它地方也有相关的例程，不过往往有个前提，待测信号的周期不能长于用来测量的定时器的溢出周期。如果按照上面的代码设计，就摆脱了这个限制。基于现有软硬件环境，我们可以对一定宽度以上的外来脉冲准确测量其脉冲宽度及占空比，当然这个一定宽度跟我们的软硬件环境有关，比方时钟频率、计数脉冲精度、代码效率等。

上一期我们做了基于定时器单个捕获通道测量脉冲宽度与占空比，今天做了基于定时器pwm输入模式测量脉冲宽度与占空比，不妨简单比较下：