2023年02月28日 | 【话说定时器系列】之九：定时器单通道测量脉宽和占空比

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。

本文为【STM32定时器】系列第九篇分享文章，重点介绍通过定时器单个通道测量信号脉宽及占空比。

实验内容

一般来讲，通过STM32单片机对外来脉冲信号测量其脉冲宽度及占空比的方法较多，即使使用STM32定时器的捕获功能，我们可以使用一个通道、也可以使用两个通道；可以使用定时器基本的输入捕获功能实现、也可以利用PWM输入模式结合定时器的从模式来完成。这里使用支持输入捕获功能的定时器的单个通道，来实现对1路外来信号脉冲宽度及占空比的测量，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。

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的pwm输出产生一个待测量脉冲信号】

3、熟悉定时器输入捕捉的基本应用与实现，并熟悉相关事件或中断。

4、为后面的PWM输入模式测量脉宽及占空比实例做铺垫。

实验思路及步骤

3.1 测量的思路

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的定时器输入通道2，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。

测量过程中，TIM4的通道2对外来信号的捕捉过程是这样的，TIM4的通道2对一个外来信号完整的测试过程实现 3次捕捉。

在初始状态【没进入测量的状态】下基于上升沿发起第一次捕捉，记录下第1次的捕捉值【Capture_1st】，并开启TIM4定时器溢出事件的统计，同时将捕获极性切换为下沿捕捉。之后进入状态1，等待后续的下沿捕获。

当发生下沿捕获时，记录下第2次的捕捉值【Capture_2nd】，并将前面这段时间的定时器溢出次数也记录下来【Front_Num_OvEvent】，再次将极性切换为上沿捕捉，进入状态2，等待第3次捕获。在状态2的情况下，当发生上沿捕获时，记录下第3次的捕捉值【Capture_3rd】，并将整个测试周期内发生的定时器溢出次数记录下来【Total_NuOvEvent】，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。

3.2 测量用到的算式

根据上面的介绍，那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=(Capture_2nd+(Front_Num_OvEvent*(TIM4_PERIOD+1))-Capture_1st)/(Capture_3rd+(Total_Num_OvEvent*(TIM4_PERIOD+1))-Capture_1st)

Signal_Freq=Clk_Internal/((Capture_3rd+(Total_Num_OvEvent*(TIM4_PERIOD+1))-Capture_1st)*(TIM4_PSC+1));

因为：计数器时钟= Clk_Internal /(TIM4_PSC+1)

或者说：

Signal_Freq计数器时钟/(Capture_3rd+(Total_Num_OvEvent*(TIM4_PERIOD+1))-Capture_1st);

3.3 基本配置准备

3.3.1 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设置为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：

3.3.2 实现TIM4通道2的输入捕获，假定计数器溢出周期为20ms.

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.

另外，通道2配置为输入捕捉，初始捕捉极性位选择上升沿。

3.4 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。

TIM4中断处理代码说明：

在TIM4通道2的比较中断里做3次捕捉值的获取以及计算，在TIM4更新中断里对溢出事件进行统计。

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

//500ms ==>50,000,000 //80ms ==>8,000,000

//20ms ==>2,000,000 /////Same with measuring TIM4 cycle

//1ms ==>100,000 //100us ==>10,000

//10us ==>1000 //5us ==>500

…… 4 us?

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，就没有这个限制了。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境有关，比方时钟频率、计数脉冲精度、代码效率等。基于刚才的实验来看，5us以上时都能准确测得结果。