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STM32单片机入门学习——第17节: [6-5] TIM输入捕获

news 来源：原创 2025/8/25 14:46:25

写这个文章是用来学习的,记录一下我的学习过程。希望我能一直坚持下去,我只是一个小白,只是想好好学习,我知道这会很难，但我还是想去做！

本文写于：2025.04.06

STM32开发板学习——第17节: [6-5] TIM输入捕获

前言
开发板说明
引用
解答和科普
一、输入捕获
问题
总结

前言

本次笔记是用来记录我的学习过程,同时把我需要的困难和思考记下来,有助于我的学习，同时也作为一种习惯,可以督促我学习,是一个激励自己的过程,让我们开始32单片机的学习之路。
欢迎大家给我提意见,能给我的嵌入式之旅提供方向和路线，现在作为小白,我就先学习32单片机了,就跟着B站上的江协科技开始学习了.
在这里会记录下江协科技32单片机开发板的配套视频教程所作的实验和学习笔记内容，因为我之前有一个开发板,我大概率会用我的板子模仿着来做.让我们一起加油！
另外为了增强我的学习效果：每次笔记把我不知道或者问题在后面提出来,再下一篇开头作为解答！

开发板说明

本人采用的是慧净的开发板,因为这个板子是我N年前就买的板子,索性就拿来用了。另外我也购买了江科大的学习套间。
原理图如下
1、开发板原理图
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2、STM32F103C6和51对比

3、STM32F103C6核心板

视频中的都用这个开发板来实现,如果有资源就利用起来。另外也计划实现江协科技的套件。

下图是实物图
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引用

【STM32入门教程-2023版细致讲解中文字幕】
还参考了下图中的书籍:
STM32库开发实战指南：基于STM32F103（第2版）
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数据手册

解答和科普

一、输入捕获

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上升沿或者下降沿，可以通过程序配置，发生电平跳变的瞬间，输入捕获电路：会让当前CNT的值，锁存到CCR中（把当前CNT的值读出来，写入到CCR中去），
一旦有边沿，那输入滤波和边沿检测电路就会检测到上升沿，让输入捕获电路产生动作，所以这一块的作用和外部中断差不多，都是检测电平跳变，然后执行动作，只不过外部中断执行的动作是向CPU申请中断，而这里电路执行的动作是，控制后续电路，让当前CNT的值，锁存到CCR寄存器中，对比一下输出比较，就是输出比较，引脚是输出端口，输入捕获，引脚是输入端口，输出比较是根据CNT和CCR的大小关系来执行输出动作，输入捕获，是接收到输入信号，执行CNT锁存到CCR的动作，这就是输入捕获和输出比较的区别；

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4个输入捕获和输出比较通道，公用4个CCR寄存器，另外它们的CH1到CH4，4个通道的引脚，也是共用的，所以对于同一个定时器，输入捕获和输出比较只能使用其中一个，不能同时使用。

PWMI模式和主从触发模式,设计的非常巧妙,把这两个功能结合起来，测量频率占空比就是硬件全自动执行,软件不需要进行任何干预,也不需要进中断,直接读取CCR寄存器就行了，使用非常方便,而且极大地减轻了软件的压力。
频率测量
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输入给STM32的信号应该是高低的电平信号：
1、测频法：那就可以自定义一个闸门时间T，通常设置为1s，在1s时间内，对信号上升沿计次，从0开始计，每来一个上升沿，计次+1，每来一个上升沿，其实就是来了一个周期的信号，所以在1s时间内，来了多少个周期，它的频率就是多少赫兹。F=N/T;
2、测周法：测量出周期，再取个倒数，不就是频率了，捕获两个上升沿，并测量之间的时间，但实际上，没有一个精度无穷大的秒表来测量时间，测量时间的方法，实际上也是定时器计次，我们使用一个已知的标准频率FC的计次时钟，来驱动计数器，从一个上升沿开始计，计数器从0开始，一直记到下一个上升沿停止，及一个说的时间是1/fc，计N个数，时间就是N/fc，N/fc就是周期，再取个倒数，就得到公式，fx=fc/N;
测频法：高 (多出些上升沿，少计一个多记一个影响不大) ，均值滤波，比较平滑；测周法（周期的倒数）：频率低一个周期多计数一个或者少了一个 N大误差越少,噪声大。都会出现正负1的误差；N越大，误差影响越小。
让它们的N相等解出来就是中介频率。

首先,测频法,这个我们用之前学过的外设就可以实现:
我们之前写过对射式红外传感器讨次,定时器外部时钟, 这些代码。稍加改进。就是测频法, 比如对射式红外传感器计次。每来一个上升沿计次+1, 那我们再用一个定时器。定一个1s的定时中断, 在中断里。每隔1s取一下计次值,同时清0计次,为下一次做准备,这样每次读取的计次值就直接是频率。对应定时器外部的代码,也是如此,每隔1s取一下计次,就能实现测频法测量频率的功能了。

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测周法：输入捕获：左边是四个通道的引脚,参考引脚定义表，就能知道这个引脚是复用在了那个位置,然后引脚进来，这里有一个三输入的异或门,这个异或门的输入接在了通道1，2，3端口,当三个引脚任何一个有电平翻转时,输出引脚就产生一次电平翻转,之后输出通过数据选择器,到达输入捕获通道1,数据选择器如果选择上面一个,那么输入捕获通道1的输入,就是3个引脚的异或值,其实是为了三相无刷电机服务的,无刷电机有3个霍尔传感器检测转子的位置,可以根据转子的位置进行换相,有了这个异或门,就可以在前三个通道上接上无刷电机的霍尔传感器,然后这个定时器就作为无刷电机的接口定时器,去驱动换相电路工作。

进入输入滤波器：可以对信号进行滤波,避免一些高频的毛刺信号误触发,然后边沿检测器,这就和外部中断哪里是一样的了,可以选择高电平触发或者低电平触发,当出现指定的电平时,边沿检测电路就会触发后续电路执行动作。
这里其实设计了两套滤波和边沿检测电路，第一套电路，经过滤波和极性选择，得到TI1FP1,输入给通道1的后续电路，第二套电路，经过另一个滤波电路和极性选择，得到TF1FP2，输入给下面通道2 的后续电路；同理下面TI2信号过来，也经过两套滤波和极性选择，得到TI2FP1和TI2FP2，其中TI2FP1输入给上面，TI2FP2输入给下面，这里信号过来可以选择各走各的，也可以选择进行一个交叉，让CH2引脚输入给通道1，或者CH1引脚输入给通道2，为什么要进行交叉连接呢，目的有两个，第一个目的，可以灵活切换后续捕获电路的输入，比如你一会想以CH1作为输入，一会想用CH2作为输入，这样就可以通过这个数据选择器，灵活地进行选择；第二个目的，也是它的主要目的：就是把一个引脚的输入,同时映射到两个捕获单元，这也是PWMI模式的经典结构，第一个捕获通道，使用上升沿触发，用来捕获周期，第二个通道，使用下降沿触发，用来捕获占空比，两个通道同时对一个引脚进行捕获，就可以同时测量频率和占空比，这就是PWMI模式。TRC也是无刷电机的用的。

预分频器可以选择对前面的信号进行分频，分频之后的触发信号，就可以触发捕获电路了，每来一个触发信号，CNT的值，就会向CCR转运一次，转运的同时，会发生一个捕获事件，这个事件会在状态寄存器置标志位，同时也可以产生中断，如果需要在捕获的瞬间处理一下事情的话，就可以开启这个捕获中断，这就是整个电路的工作流程。
比如我们可以配置上升沿触发捕获,每来一个上升沿,CNT转运到CCR一次,又因为这个CNT计数器是由内部的标准时钟驱动的,所以CNT的值,其实就可以用来记录两个上升沿之间的时间间隔,这个时间间隔就是周期,再去取一个倒数,就是测周法的频率了。每次捕获之后，我们都要把CNT清0，这个在一次捕获后自动将CNT清零的步骤，可以用主从触发模式，自动来完成。

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引脚进来，还是先经过一个滤波器，滤波器的输入是TI1，就是CH1的引脚，输出的TI1F就是滤波后的信号，fDTS是滤波器的采样时钟来源，下面CCMR1寄存器的ICF位可以控制滤波器的参数，那这个滤波器具体怎么工作的，以采样频率对输入信号进行采样，当连续N个值都为高电平，输出才为高电平，连续N个值都为低电平，输出才为低电平，抖动的话，那输出就不会变化，这样就可以起到滤波的效果，采样频率越低，采样个数越大，滤波效果就越好。
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滤波之后的信号通过边沿检测器，捕获上升沿或者下降沿，用这个CCER寄存器里的CC1P位，就可以选择极性了，最终得到TI1FP1触发信号，通过数据选择器，进入通道1后续的捕获电路，当然还有一个一样的电路，用来得到TI1FP2触发信号，连通到通道2的后续电路，这里没有画出来。总共四种连接方式。然后经过这里的数据选择器，进入后续的捕获部分电路。CC1S位可以对数据选择位进行选择，之后ICPS位，可以配置这里的分频器，可以进行分频，最后CC1E位，控制输出使能或失能，如果使能了输出，输入端产生指定的边沿信号，经过层层电路，到达这里，就可以让这里CNT的值，转运到CCR里面来，另外刚才说了，每捕获一次CNT的值，都要把CNT的值清零一下，以便于下一次的捕获，在这里硬件电路就可以在捕获之后自动完成CNT的清零工作，如何自动清零呢？
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这个TI1FP1和TI1F_ED（边沿信号）都可以通向从模式控制器，比如TI1FP1信号的上升沿触发捕获，那通过这里，TI1FP1还可以同时触发从模式，这个从模式里面，就有电路，可以自动完成CNT的清零，所以可以看出，这个从模式就是自动完成化操作的利器。

如何完成硬件自动化：
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主从触发模式：主模式、从模式、触发源选择这三个功能的简称。
主模式可以将定时器内部的信号，映射到TRGO引脚，用于触发别的外设，所以这部分叫做主模式；
从模式：就是接受其他外设或者自身外设的一些信号，用于控制自身定时器的运行，也就是被别的信号控制，所以这部分叫从模式；
触发源选择：就是选择从模式的触发信号源的，你可以认为它是从模式的一部分，触发源选择，选择指定的一个信号，得到TRGI，TRGI去触发从模式，从模式可以在右边的列表里，选择一项操作来自动执行，如果想完成我们刚才说的任务，想让TI1FP1信号自动触发CNT清零，那触发源选择，就可以选择这里的TI1FP1，从模式的执行操作，就可以选择执行RESET的操作，这样TI1FP1的信号就可以自动触发从模式了，从模式自动清零CNT，实现硬件全自动化测量。
手册:

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输入捕获基本结构：
这个结构只使用了一个通道，目前只能测量频率，右上角是时基单元，把时基单元配置好，启动定时器，那这个CNT就会在预分频之后的时钟驱动下，不断自增，这个CNT就是我们测周法用来计数计时的东西，经过预分频器分屏后的时钟频率，就是驱动CNT的标准频率fc，所以标准频率=72M/预分频系数；然后下面输入捕获通道1的GPIO口，输入一个这样的方波信号，经过滤波器和边沿检测，选择TI1FP1为上升沿触发，之后输入选择直连的童丹，分频器选择不分频，当TI1FP1出现上升沿之后，CNT的当前计数值转运到CCR1里，同时触发源选择，选中TI1FP1为触发信号，从模式选择复位操作，这样TI1FP1的上升沿，也会通过上面这一路，去触发CNT清零，当然这里面会有个先后顺序，肯定得是先转运CNT的值到CCR里面去，再触发从模式给CNT清零；或者是同时进行；
左上角的图，在这里，信号出现一个上升沿，CCR1=CNT,就是把CNT的值，转运到CCR1里面去，这是输入捕获自动执行的，然后CNT=0，清零计数器，这是从模式自动执行的，然后在一个周期之内，CNT在标准时钟的驱动下，不断自增，并且由于之前清零过了，所以CNT就是从上升沿开始从0开始计数，一直++，直到，下一次上升沿来临，然后执行相同的操作；进行下一个操作，这时候CCR1会刷新为第二个周期的计数值，然后不断重复这个过程，所以当这个电路工作时，始终保持为最新一个周期的技术值，这个计数值就是这里的N，频率就是FC/N;
CNT的值是有上限的，ARR一般设置为最大65535，那CNT最大也只能计65535个数，如果信号频率太低，CNT计数值可能溢出，另外还有就是，这个从模式的触发源选择，只有TI1FP1和TI2FP2，没有TI3和TI4的信号，对于通道3和4，就只能开启捕获中断，在中断里手动清零了，不过这样，程序就会处于频繁中断的状态，比较消耗软件资源；
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使用了两个通道同时捕获一个引脚：可以同时测量周期和占空比，下面多了一个通道，首先配置TI1FP1为上升沿触发、触发捕获和清零CNT，正常的捕获周期；这时我们再来一个TIFP2，配置为下降沿触发，通过交叉通道，去触发通道2的捕获单元；
左上角：最开始上升沿，CCR1捕获，同时清零CNT，之后CNT一直++，然后，再下降沿这个时刻，触发CCR2捕获，所以这是CCR2的值们就是CNT从这里到这里的计数值，也就是高电平的计数值，CCR2捕获并不触发CNT清零，所以CNT继续++，直到下一次上升沿，CCR1捕获周期，CNT清零，这样执行之后，CCR1就是一整个周期的技术值，CCR2就是高电平期间的计数值，我们用CCR2/CCR1，就是占空比了；这就是PWMI模式，使用两个通道来捕获频率和占空比的思路。