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详细讲解,定时器输入功能捕获单输入脉冲的实现

2021-7-23 07:00:00  668 定时器 脉冲
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1 问题引出
单片机嵌入式开发中,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CCMR1
CCMR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 us\r\n",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


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