STM32单片机-输入捕获、FFT测频

一、硬件连接

1、电压信号处理电路仿真

图1.1.1

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2、单片机连接

主控MCU：STM32F103ZET6，LM293输出连接在PB0上检测电压信号的频率，如图1.1.1与图1.2.1所示。

图1.2.1

图1.2.2

如图1.2.2所示，注意其中的TIM3_CH2N是PWM捕获比较输出，TIM3_CH3才是输入捕获。

图1.2.3

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二、程序部分

这里通过STM32输入捕获或FFT转换两种方式实现频率的测量，在实际工程中都已实现。STM32输入捕获信号幅度小于2V时，单片机检测不到跳变沿，需硬件对信号适当处理(如图1.1.1)。PB0/ADC8也可用ADC读信号电压值，ADC值为0时进行记录，再次为0就相当于经过了半个周期。计算两次ADC为0的时间差，就可以计算出信号的频率，这种方法不会受限于信号幅度的限制。

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1、通过STM32输入捕获

下面的程序采集PB0口(图1.2.1)的电压信号，因频率较低，且要求继电器出口时间小于35mS，采用测周法计算频率。给出主要部分定时器配置与定时器中断程序。因上升沿示波器测试并不陡峭(图1.1.1仿真图也可看出)，故取一周波两次下降沿。

注意后期的处理程序必须捕获到两个下降沿的前提下，才能作相应的处理，采集程序未完成，处理会出错。

图2.1.1

1）定时器配置

void adc_TIM_Init(void)

{

   TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; //定时器

   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //端口

   TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; //输入捕获

   //初始化GPIO口

  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入模式

   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;

   GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

   GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);

   //使能时钟

   RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE); //TIM3

   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);

   //初始化TIM3定时

   TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);

   TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 17; //1MHz计数脉冲 1uS

   TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 65535;

   TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0x0;

   TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //向上计数

   TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

   TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);

   //初始化TIM3 Channel3输入捕获IC(Input Capture)

   TIM_ICInitStructure.TIM_Channel=TIM_Channel_3;

   TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity=TIM_ICPolarity_Falling; //下降沿捕获

   TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection=TIM_ICSelection_DirectTI; //管脚与寄存器一一对应

   TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1; //有下降沿就捕获，不分频

   TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter=0x00; //不打开输入捕获滤波器

   TIM_ICInit(TIM3,&TIM_ICInitStructure);

   TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE); //允许定时中断

   TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_CC3,ENABLE); //允许CC3捕获中断

   TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);

…………

}

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2）定时溢出和输入捕获中断处理

void TIM3_IRQHandler(void) //TIM3

{

   static u8 CapStatus=0; //捕获状态，CapStatus=0未捕获到第1个下降沿，CapStatus=1捕获到第1个下降沿

   static u8 TIM3_CH3_Capture=0; //总的计数次数

   u32 FrequencyTemp=0;

   if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)) //TIM3定时溢出更新中断

   {

      TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update); //清除中断标志位

      if(CapStatus)

         TIM3_CH3_Capture++;

   }

   if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_CC3)) //RB0输入捕获中断

   {

      TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_CC3); //清除中断标志位

      if(!CapStatus)

      {

         CapStatus=1;

         TIM_SetCounter(TIM3,0); //计数器清零

      }

      else if(CapStatus) //已经捕获到第1个下降沿

      {

         CapStatus=0;

         FrequencyTemp=TIM_GetCapture3(TIM3)+TIM3_CH3_Capture*65536; //计算两个下降沿总计数

         TIM3_CH3_Capture=0; //溢出次数清零

         TIM_SetCounter(TIM3,0); //计数器清零

         FrequencyValue=400000000/FrequencyTemp; //计算频率，比如5000，单位0.01Hz

      }

   }

}

图2.1.2

图2.1.3

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2、通过FFT实现

下面是采集PC1口(图1.2.1)的小通道电流信号，计算频率，其固件具ST官方DSP库实现FFT，测试固件移步：FFT(具ST官方DSP库实现)。

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1）用STM32F103自带的12位ADC进行数据采集，定时器触发ADC采集，DMA搬运，定时器时间自行设置，采样频率已知。此部分相关内容移步：AD转换汇总(STM32、取平均、过采样)。

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2）通过FFT可以准确测量电压值、电流值、有功功率、无功功率、频率、谐波分量(比如显示2～32次谐波)、相角(电压与电流夹角)。互感器二次值精确到小数点后2位无压力，电流范围大，硬件增加大小通道、程序分别采集即可；涌流二次谐波含量最多，故可实现二次谐波制动，相关介绍移步：电力-涌流抑制与谐波。

图2.2.1

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3、屏显驱动介绍

移步：12864液晶显示原理(C程序)。

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附录1：测频法计算频率

网上找的资料，不保证正确性，没有实际测试过，仅供参考。

通过在一定时间内检测跳边沿的个数可计算出频率 频率=上升沿或下降沿个数/统计时间。

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方法1：利用外部中断统计跳边沿个数，配置一个定时器每隔一定时间对频率进行计算。部分代码如下。

void exti_init()  //外部中断初始化函数

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);

GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOC, GPIO_PinSource2);//选择GPIO引脚用作外部中段线路

//此处一定要记住给端口管脚加上中断外部线路

EXTI_InitStructure.EXTI_Line=EXTI_Line2;

EXTI_InitStructure.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;

EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Falling;  //下降沿进中断

EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;

EXTI_Init(&EXTI_InitStructure); 

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);  

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI2_IRQn; //打开EXTI2的全局中断

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; //设置优先级

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;   

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   //使能

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

外部中断中断函数

void EXTI2_IRQHandler()    

{

if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line2)==SET)

{

    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);//清中断

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_2)==Bit_RESET)    //确定沿

{

cnt++;

} 

}

}

定时器中断函数

void TIM3_IRQHandler()   

{

frequent=cnt; //定时器设置时间为1s时

cnt=0;  //清零计数cnt

TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);    //清标志位

}

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方法2：采用定时器外部计数的方法，另外一个定时器负责每隔一段时间计算频率，部分代码如下。

void time_init()

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM2_TimeBaseInitStructure;  

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM3_TimeBaseInitStructure;

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);//清除TIM2中断标志位

TIM2_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 0xFFFF;//设置自动重装载值

TIM2_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 0;//设置分频

TIM2_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; 

TIM2_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//向上计数

TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM2_TimeBaseInitStructure);

TIM_ETRClockMode1Config(TIM2, TIM_ExtTRGPSC_OFF,TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted, 0x00);  //设置为采用外部时钟计数,可设定滤波参数消除信号干扰

TIM_Cmd(TIM2,ENABLE); 

TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);

TIM3_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 999;

TIM3_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 3599;

TIM3_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; 

TIM3_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM3_TimeBaseInitStructure);

TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);

TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE );

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM3_IRQn; 

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;  

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

定时器中断函数

void TIM3_IRQHandler()  

{

static u8 i;

static u32 frequent_sum;

TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);   //清中断

if(i<19)

{

cnt += TIM_GetCounter(TIM2);  //，获取计数器的值，累加减少误差

TIM_SetCounter(TIM2,0);    //计数器清零

i++;

}

else

{

cnt += TIM_GetCounter(TIM2);

TIM_SetCounter(TIM2,0);

cnt += cnt*0.000025; //根据实际情况修改系数线性补偿

frequent = cnt;

i = 0;

cnt = 0;

}

}

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