定时器捕获单输入脉冲原理

单片机

1 问题引出

在单片机与嵌入式开发中，某些场景需要捕获传感器的高电平（或低电平）信号的持续时间，如红外解码信号、编码器输入信号等。
如下图，以单一的一段高电平输入信号为例，如何测量这段高电平的时间呢？
从直观上理解，就是要不断的检测这个信号，当信号从0变到1时，记录一个时间，再从1变到0时，记录另一个时间，两个时间差就是高电平的持续时间了。那具体要怎么编程呢？这就要用到定时器了。

2 定时器的捕获原理上篇介绍了定时器的输出功能，本篇是利用定时器的输入功能，来计算脉冲时长。如下图：
定时器的CNT计数器在不停的计数
首先配置定时器的输入通道为上升沿捕获，这样当检测到从0到1的跳变时，CCR1就会先保存当前的CNT值，同时CNT会清零重新开始计数
然后将定时器的输入通道为下降沿捕获，当检测从1到0的跳变时，CCR2就会先保存当前的CNT值
在这期间，CNT的计数值可能会溢出，这不影响，记录下溢出的次数，并重新开始计数即可
最终，t2-t1的高电平时间，就可以通过N次的溢出时间加CCR2保存的时间来计算获得了

3 定时器常用的寄存器上篇介绍了定时器输出PWM时用到的几个寄存器（CR、CCMR、CNT、PSC、ARR、CCR等），这里再介绍几个捕获信号时需要用到的几个寄存器：

3.1 捕获/比较模式寄存器CCMR1CCMR寄存器上篇已有介绍，只是上篇仅介绍了输出模式下的功能，本篇再介绍一下它在输入模式下的功能：
这些通道可用于输入（捕获模式）或输出（比较模式）模式。通道方向通过配置相应的 CCxS 位进行定义。此寄存器的所有其它位在输入模式和输出模式下的功能均不同。对于任一给定位
OCxx 用于说明通道配置为输出时该位对应的功能
ICxx 则用于说明通道配置为输入时该位对应的功能

因此，必须注意同一个位在输入阶段和输出阶段具有不同的含义。
这里仅先介绍输入模式下的功能：
位 15:12 IC2F：输入捕获 2 滤波器 (Input capture 2 filter)
位 11:10 IC2PSC[1:0]：输入捕获 2 预分频器 (Input capture 2 prescaler)
位 9:8 CC2S：捕获/比较 2 选择 (Capture/compare 2 selection) 用法参照下面的CC1S通道1
位 7:4 IC1F：输入捕获 1 滤波器 (Input capture 1 filter)
数字滤波器由事件计数器组成，每 N 个事件才视为一个有效边沿：

0000：无滤波器
0001~1111：其它频率的滤波器

位 3:2 IC1PSC：输入捕获 1 预分频器 (Input capture 1 prescaler)
此位域定义 CC1 输入 (IC1) 的预分频比。只要 CC1E=0（TIMx_CCER 寄存器），预分频器便立即复位。

00：无预分频器，捕获输入上每检测到一个边沿便执行捕获
01~11：每发生 2 （4、8）个事件便执行一次捕获

位 1:0 CC1S：捕获/比较 1 选择 (Capture/Compare 1 selection)，此位域定义通道方向（输入/输出）以及所使用的输入。

00：CC1 通道配置为输出
01：CC1 通道配置为输入，IC1 映射到 TI1 上
10：CC1 通道配置为输入，IC1 映射到 TI2 上
11：CC1 通道配置为输入，IC1 映射到 TRC 上。此模式仅在通过 TS 位（TIMx_SMCR 寄存器）选择内部触发输入时有效

注：仅当通道关闭时（TIMx_CCER 中的 CC1E = 0），才可向 CC1S 位写入数据。

3.2 捕获/比较使能寄存器CCER我们要用到这个寄存器的最低 2 位， CC1E 和 CC1P。
位 15、11、7、3 CCxNP：捕获 /比较x 输出极性 (Capture/Comparex output Polarity)。

CCx 通道配置为输出： CCxNP 必须保持清零。
CCx 通道配置为输入：此位与 CCxP 配合使用，用以定义 TI1FP1/TI2FP1 的极性。请参见 CCxP 说明。

位 14、10、6、2 保留，必须保持复位值。
位 13、9、5、1 CCxP：捕获 /比较x 输出极性 (Capture/Comparex output Polarity)。

00：非反相/上升沿触发电路对 TIxFP1 上升沿敏感（在复位模式、外部时钟模式或触发模式下执行捕获或触发操作）， TIxFP1 未反相（在门控模式或编码器模式下执行触发操作）。
01：反相/下降沿触发电路对 TIxFP1 下降沿敏感（在复位模式、外部时钟模式或触发模式下执行捕获或触发操作）， TIxFP1 反相（在门控模式或编码器模式下执行触发操作）。
10：保留，不使用此配置。
11：非反相/上升沿和下降沿均触发电路对 TIxFP1 上升沿和下降沿都敏感（在复位模式、外部时钟模式或触发模式下执行捕获或触发操作），TIxFP1 未反相（在门控模式下执行触发操作）。编码器模式下不得使用此配置。
0：OCx 高电平有效
1：OCx低电平有效
CCx 通道配置为输出：
CCx 通道配置为输入：
CCxNP/CCxP 位可针对触发或捕获操作选择 TI1FP1 和 TI2FP1 的极性。

位 12、8、4、0 CCxE：捕获 /比较 x 输出使能 (Capture/Comparex output enable)。

0：禁止捕获
1：使能捕获
0：关闭––OCx 未激活
1：开启––在相应输出引脚上输出 OCx信号
CCx 通道配置为输出：
CCx 通道配置为输入：
此位决定了是否可以实际将计数器值捕获到输入捕获/比较寄存器 1 (TIMx_CCR1) 中。

3.3 DMA/中断使能寄存器DIER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 。
位 15、13、7、5 保留，必须保持复位值。
位 14 TDE：触发 DMA 请求使能 (Trigger DMA request enable)
位 12~位9 CCxDE：捕获/比较x DMA 请求使能 (Capture/Compare 1 DMA request enable)
位 8 UDE：更新 DMA 请求使能 (Update DMA request enable)
位 6 TIE：触发信号(TRGI)中断使能 (Trigger interrupt enable)
位 4~位1 CCxIE：捕获/比较x 中断使能 (Capture/Compare 1 interrupt enable)
位 0 UIE：更新中断使能 (Update interrupt enable)

4 编程 4.1 定时器初始化 4.1.1 GPIO初始化这里用到的是定时器5的通道1，根据STM32F407的数据手册“3 Pinouts and pin description”中的“Table 9. Alternate function mapping”复用引脚说明表，可以看到定时器5通道1对应的引脚位A0，所以使用A0作为信号的输入引脚。
因此程序中对A0引脚可以这样配置，注意一定要配置引脚的复用功能：
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;    /*GPIO 结构体*/RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); //使能PORTA时钟 /*输入信号的GPIO初始化*/GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;    //GPIOA0GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF; /*复用功能*/GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHzGPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP; //推挽复用输出GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN; /*下拉*/GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);       //初始化PA0GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource0,GPIO_AF_TIM5); //PA0复用位定时器5

4.1.2 时基初始化使用定时器，时基初始化是必不可少的，就是要设置一些计数的频率与溢出值（自动重装载值）：
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; /*时基结构体*//*时基初始化*/TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr; /* 自动重装载值 */TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc; /* 定时器分频 */TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式TIM_TimeBaseInit(TIM5,&TIM_TimeBaseStructure);

4.1.3 输入通道初始化将定时器的通道1设置为输入捕获模式：
TIM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure; /*输入通道结构体*//*输入通道初始化，初始化TIM5输入捕获参数*/TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;       //CC1S=01 选择输入端 IC1映射到TI1上TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; /* 上升沿捕获 */TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到TI1上TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;    //配置输入分频,不分频 TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;          //IC1F=0000 配置输入滤波器不滤波TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);TIM_ITConfig(TIM5,TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1,ENABLE); /* 允许更新(溢出)中断 ,允许CC1IE捕获中断 */ TIM_Cmd(TIM5,ENABLE ); //使能定时器5
关于配置CCMR1、CCER寄存器

CCMR1:
CCER:
TIM_ICInit函数对应于输入通道的初始化，其实就是操作CCMR1、CCER寄存器：
void TIM_ICInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_ICInitTypeDef* TIM_ICInitStruct){ if (TIM_ICInitStruct->TIM_Channel == TIM_Channel_1) {  /* TI1 配置 */ TI1_Config(TIMx, TIM_ICInitStruct->TIM_ICPolarity,       TIM_ICInitStruct->TIM_ICSelection,       TIM_ICInitStruct->TIM_ICFilter); /* 设置中断捕获预分频值 */ TIM_SetIC1Prescaler(TIMx, TIM_ICInitStruct->TIM_ICPrescaler); } else if (TIM_ICInitStruct->TIM_Channel == TIM_Channel_2) { /*省略...*/ }}static void TI1_Config(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPolarity, uint16_t TIM_ICSelection,uint16_t TIM_ICFilter){ uint16_t tmpccmr1 = 0, tmpccer = 0; /* 关闭通道1: 复位CC1E位 */ TIMx->CCER &= (uint16_t)~TIM_CCER_CC1E; tmpccmr1 = TIMx->CCMR1; tmpccer = TIMx->CCER; /* 通过设置CC1S选择为输入模式，并配置滤波器 */ tmpccmr1 &= ((uint16_t)~TIM_CCMR1_CC1S) & ((uint16_t)~TIM_CCMR1_IC1F); tmpccmr1 |= (uint16_t)(TIM_ICSelection | (uint16_t)(TIM_ICFilter << (uint16_t)4)); /* 选择CC1P极性并设置CC1E位 */ tmpccer &= (uint16_t)~(TIM_CCER_CC1P | TIM_CCER_CC1NP); tmpccer |= (uint16_t)(TIM_ICPolarity | (uint16_t)TIM_CCER_CC1E); /* 写数据到 TIMx 的CCMR1 和 CCER 寄存器 */ TIMx->CCMR1 = tmpccmr1; TIMx->CCER = tmpccer;}void TIM_SetIC1Prescaler(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPSC){ TIMx->CCMR1 &= (uint16_t)~TIM_CCMR1_IC1PSC; /* 复位IC1PSC位 */ TIMx->CCMR1 |= TIM_ICPSC;       /* 设置IC1PSC值 */}
关于配置DIER寄存器

TIM_ITConfig函数对于中断的开启，其实就是操作DIER寄存器：
void TIM_ITConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT, FunctionalState NewState){  if (NewState != DISABLE) {  /* 使能中断 */ TIMx->DIER |= TIM_IT; } else {  /* 失能中断 */ TIMx->DIER &= (uint16_t)~TIM_IT; }}

4.1.4 定时器中断初始化定时器中断的使能设置已在上面的定时器配置中设置，这里只是进行常规的配置定时器中断的优先级：
/*定时器中断配置*/NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2; //抢占优先级3NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =0; //子优先级3NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;  //IRQ通道使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);          //根据指定的参数初始化NVIC寄存器

4.2 定时器中断服务函数此处用到了两个全局变量，用于辅助实现高电平捕获。其中：
TIM5CH1_CAPTURE_VAL用来记录捕获到下降沿的时候 TIM5_CNT的值。
TIM5CH1_CAPTURE_STA用来记录捕获状态，我们把它当成一个寄存器那样来使用。其各位描述下：

u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //输入捕获状态（当中一个自制的寄存器使用，初始为0） u32 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //输入捕获值(TIM2/TIM5是32位)/*** @Brief 定时器5中断服务程序*/void TIM5_IRQHandler(void){ if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//还未成功捕获 (1000 0000) { /*定时器溢出中断*/ if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET) {    if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)/* 之前标记了开始信号(0100 0000) */  {  if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F) /* 高电平太长了,计数溢出了 (0011 1111) */  { TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;  /* (强制)标记成功捕获了一次 (1000 0000) */ TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFFFFFF; /* 因为溢出次数N不能再加了，就将当前的捕获值设置为32位的最大值，等效Nmax+1*/  }  else /* 正常情况是不会溢出，最终得出正确的高电平时间 */  { TIM5CH1_CAPTURE_STA++; /* 累计定时器溢出次数N */  }  }  else  {  /* 还没有捕获到信号时，定时器溢出后什么也不做，自己清零继续计数即可 */  } }  /*捕获1发生捕获事件*/ if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET) { /*捕获到一个下降沿(结束信号)*/  if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40) /* 之前标记了开始信号(0100 0000) */    {    TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;          /* 标记成功捕获到一次高电平脉宽 (1000 0000) */  TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM5);    /* 获取当前的捕获值 */ TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Rising); /* CC1P=0 重新设置为上升沿捕获，用于下次捕捉信号 */  }    /*还未开始,第一次捕获上升沿(起始信号) */  else    {  TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;  /* 清空捕获状态寄存器 */  TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0;    /* 清空捕获值 */  TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40; /* 标记捕获到了上升沿 (0100 0000) */ TIM_Cmd(TIM5,DISABLE ); /* 关闭定时器5 */ TIM_SetCounter(TIM5,0);    /* 清空CNT，重新从0开始计数 */ TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Falling); /* CC1P=1 设置为下降沿捕获 */  TIM_Cmd(TIM5,ENABLE );    /* 使能定时器5 */  } }          } TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中断标志位}
再来对比一下这张图：
初始化时设置为上升沿触发，触发后（起始信号），清空CNT，重新从0开始计数，并设置为下降沿捕获
在之后的过程中可能会有多次定时器计数溢出，即TIM5CH1_CAPTURE_STA++（使用低6位），也即N的值
最后捕捉到下降沿（结束信号），TIM5CH1_CAPTURE_VAL获取当前CNT的值，也即CCRx2的值

再看主函数中：
while(1) {  /* 成功捕获到了一次高电平 (1000 0000) */  if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)    { temp=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F; /* 获取溢出的次数N (0011 1111) */ temp*=0XFFFFFFFF; /* 溢出时间总和 = N*溢出计数值 */ temp+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL; /* 总的高电平时间 = 溢出时间总和 + 下降沿时的计数值*/ printf("HIGH:%lld usrn",temp); //打印总的高点平时间 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;  //开启下一次捕获  }}
当检查TIM5CH1_CAPTURE_STA为捕获到1次高电平后，打印高电平的持续时间：
总的高电平时间 =N(TIM5CH1_CAPTURE_STA的低6位) * ARR(溢出计数值)+ CCRx2(下降沿时的计数值)

附：一些寄存器简写的全称
ARR：auto-reload register 自动重载寄存器
CCR：capture/compare register 捕获/比较寄存器
PSC：prescaler 预分频器
CNT：counter 计数器
SR：status register 状态寄存器
CCMR：capture/compare mode register 捕获/比较模式寄存器

CC1S：Capture/Compare 1 selection 捕获/比较1模式选择
OC1M： Output compare 1 mode 输出比较1模式
OC1PE：Output compare 1 preload enable 输出比较1预装载使能
IC1F：Input capture 1 filter 输入捕获1滤波器
IC1PSC：Input capture 1 prescaler 输入捕获1预分频器

CCER：capture/compare enable register 捕获/比较使能寄存器

CC1P：Capture/Comparex output Polarity 捕获 /比较1输出极性
CC1E：Capture/Comparex output enable 捕获 /比较1输出使能

SMCR：slave mode control register 从模式控制寄存器
DCR：DMA control register DMA 控制寄存器
DIER：DMA/Interrupt enable register DMA/中断使能寄存器
DMAR：DMA address for full transfer 全传输 DMA 地址
OR：option register 选项寄存器

yqiyuan · 2021-7-16 16:05:36

支持一下！！！

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