【STM32】输入捕获程序
00. 目录
01. 概述
输入捕获模式可以用来测量脉冲宽度或者测量频率。我们以测量脉宽为例，用一个简图来说明输入捕获的原理。
如图所示，就是输入捕获测量高电平脉宽的原理，假定定时器工作在向上计数模式，图中 t1~t2 时间，就是我们需要测量的高电平时间。测量方法如下：首先设置定时器通道 x 为上升沿捕获，这样，t1 时刻，就会捕获到当前的 CNT 值，然后立即清零 CNT，并设置通道 x为下降沿捕获，这样到 t2 时刻，又会发生捕获事件，得到此时的 CNT 值，记为 CCRx2。这样，根据定时器的计数频率，我们就可以算出t1~t2 的时间，从而得到高电平脉宽。
在 t1~t2 之间，可能产生 N 次定时器溢出，这就要求我们对定时器溢出，做处理，防止高电平太长，导致数据不准确。如图15.1.1所示，t1~t2之间，CNT计数的次数等于：N*ARR+CCRx2，有了这个计数次数，再乘以 CNT 的计数周期，即可得到 t2-t1 的时间长度，即高电平持续时间。
STM32F4 的定时器，除了 TIM6 和 TIM7，其他定时器都有输入捕获功能。STM32F4 的输入捕获，简单的说就是通过检测 TIMx_CHx 上的边沿信号，在边沿信号发生跳变（比如上升沿/下降沿）的时候，将当前定时器的值（TIMx_CNT）存放到对应的通道的捕获/比较寄存器（TIMx_CCRx）里面，完成一次捕获。同时还可以配置捕获时是否触发中断/DMA 等。
02. 硬件设计
本实验用到的硬件资源有：
1） 指示灯 DS0
2） KEY_UP 按键
3） 串口
4） 定时器 TIM3
5） 定时器 TIM5
我们将捕获 TIM5_CH1（PA0）上的高电平脉宽，通过 KEY_UP 按键输入高电平，并从串口打印高电平脉宽。
03. 寄存器概述
我们介绍我们本章需要用到的一些寄存器配置，需要用到的寄存器有：TIMx_ARR、TIMx_PSC、TIMx_CCMR1、TIMx_CCER、TIMx_DIER、TIMx_CR1、TIMx_CCR1 这些寄存器在前面全部都有提到(这里的 x=5)，我们这里就不再全部罗列了，我们这里针对性的介绍这几个寄存器的配置。
TIMx_ARR 和 TIMx_PSC，这两个寄存器用来设自动重装载值和 TIMx 的时钟分频。
TIMx 捕获/ 比较模式寄存器 1 (TIMx_CCMR1)
TIMx capture/compare mode register 1
偏移地址：0x18
复位值：0x0000
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。
这里我们用到的是 TIM5 的捕获/比较通道 1，我们重点介绍 TIMx_CCMR1 的[7:0]位（其高 8 位配置类似）
TIMx 捕获/ 比较使能寄存器 (TIMx_CCER)
TIMx capture/compare enable register
偏移地址：0x20
复位值：0x0000
我们要用到这个寄存器的最低 2 位，CC1E 和 CC1P 位。
位 1 CC1P： 捕获 / 比较 1 输出极性 (Capture/Compare 1 output Polarity) 。
CC1 通道配置为输出：
0：OC1 高电平有效
1：OC1 低电平有效
CC1 通道配置为输入：
CC1NP/CC1P 位可针对触发或捕获操作选择 TI1FP1 和 TI2FP1 的极性。
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。
位 0 CC1E： 捕获 / 比较 1 输出使能 (Capture/Compare 1 output enable) 。
CC1 通道配置为输出：
0：关闭––OC1 未**
1：开启––在相应输出引脚上输出 OC1 信号
CC1 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。
0：禁止捕获
1：使能捕获
TIMx DMA/ 中断使能寄存器 (TIMx_DIER)
TIMx DMA/Interrupt enable register
偏移地址：0x0C
复位值：0x0000
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。
TIMx 控制寄存器 1 (TIMx_CR1)
TIMx control register 1
偏移地址：0x00
复位值：0x0000
控制寄存器：TIMx_CR1，我们只用到了它的最低位，也就是用来使能定时器的。
TIMx 捕获/ 比较寄存器 1 (TIMx_CCR1)
TIMx capture/compare register 1
偏移地址：0x34
复位值：0x0000 0000
TIMx_CCR1，该寄存器用来存储捕获发生时，TIMx_CNT的值，我们从 TIMx_CCR1 就可以读出通道 1 捕获发生时刻的 TIMx_CNT 值，通过两次捕获（一次上升沿捕获，一次下降沿捕获）的差值，就可以计算出高电平脉冲的宽度（注意，对于脉宽太长的情况，还要计算定时器溢出的次数）。
04. 配置步骤
4.1开启 TIM5 时钟，配置 PA0 为 为 复用功能（AF2 ），并开启下拉电阻。
要使用 TIM5，我们必须先开启 TIM5 的时钟。同时我们要捕获 TIM5_CH1 上面的高电平脉宽，所以先配置 PA0 为带下拉的复用功能，同时，为了让 PA0 的复用功能选择连接到 TIM5，所以设置 PA0 的复用功能为 AF，即连接到 TIM5 上面。开启 TIM5 时钟的方法为：
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5,ENABLE); //TIM5 时钟使能
配置 PA0 为复用功能，所以我们首先要设置 PA0 引脚映射 AF2，方法为：
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource0,GPIO_AF_TIM5); //GPIOA0 复用位定时器 5
最后，我们还要初始化 GPIO 的模式为复用功能，同时这里我们还要设置为开启下拉。方法为：
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //GPIOA0
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用功能
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度 100MHz
GPIO_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 PA0
这里我们使用的是定时器 5 的通道 1，所以我们从 STM32F4 对应的数据手册可以查看到对应的 IO 口为 PA0:
4.2 初始化TIM5, 设置 TIM5 的 的 ARR 和 PSC 。
在开启了 TIM5 的时钟之后，我们要设置 ARR 和 PSC 两个寄存器的值来设置输入捕获的自动重装载值和计数频率。这在库函数中是通过 TIM_TimeBaseInit 函数实现的。
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc; //定时器分频
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr; //自动重装载值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInit(TIM5,&TIM_TimeBaseStructure);//初始化 TIM5
4.3 设置 TIM5 的 的 输入捕获参数，开启输入捕获。
TIM5_CCMR1 寄存器控制着输入捕获 1 和 2 的模式，包括映射关系，滤波和分频等。这里我们需要设置通道 1 为输入模式，且 IC1 映射到 TI1(通道 1)上面，并且不使用滤波（提高响应速度）器。库函数是通过 TIM_ICInit 函数来初始化输入比较参数的：
void TIM_ICInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_ICInitTypeDef* TIM_ICInitStruct)
我们来看看参数设置结构体 TIM_ICInitTypeDef 的定义：
typedef struct
{
uint16_t TIM_Channel; //通道
uint16_t TIM_ICPolarity; //捕获极性
uint16_t TIM_ICSelection;//映射
uint16_t TIM_ICPrescaler;//分频系数
uint16_t TIM_ICFilter; //滤波器长度
} TIM_ICInitTypeDef;
参数 TIM_Channel 很好理解，用来设置通道。我们设置为通道 1，为 TIM_Channel_1。
参 数 TIM_ICPolarit 是 用 来 设 置 输 入 信 号 的 有 效 捕 获 极 性 ， 这 里 我 们 设 置 为TIM_ICPolarity_Rising，上升沿捕获。同时库函数还提供了单独设置通道 1 捕获极性的函数为：
TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Falling);
参数 TIM_ICSelection 是用来设置映射关系，我们配置 IC1 直接映射在 TI1 上，选择TIM_ICSelection_DirectTI。
参 数 TIM_ICPrescaler 用 来 设 置 输 入 捕 获 分 频 系 数 ， 我 们 这 里 不 分 频 ， 所 以 选 中TIM_ICPSC_DIV1,还有 2,4,8 分频可选。
参数 TIM_ICFilter 设置滤波器长度，这里我们不使用滤波器，所以设置为 0。
TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //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);
4.4 使能捕获和更新中断（设置 TIM5 的 DIER 寄存器）
因为我们要捕获的是高电平信号的脉宽，所以，第一次捕获是上升沿，第二次捕获时下降沿，必须在捕获上升沿之后，设置捕获边沿为下降沿，同时，如果脉宽比较长，那么定时器就会溢出，对溢出必须做处理，否则结果就不准了，不过，由于 STM32F4 的 TIM5 是 32 位定时器，假设计数周期为 1us，那么需要 4294 秒才会溢出一次，这基本上是不可能的。这两件事，我们都在中断里面做，所以必须开启捕获中断和更新中断。
这里我们使用定时器的开中断函数 TIM_ITConfig 即可使能捕获和更新中断：
TIM_ITConfig( TIM5,TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1,ENABLE);//允许更新中断和捕获中断
4.5 设置中断 优先级 ，编写中断服务函数
因为我们要使用到中断，所以我们在系统初始化之后，需要先设置中断优先级分组，这里方法跟我们前面讲解一致，调用 NVIC_PriorityGroupConfig()函数即可，我们系统默认设置都是分组 2。设置中断优先级的方法前面多次提到这里我们不做讲解，主要是通过函数 NVIC_Init()来完成。设置优先级完成后，我们还需要在中断函数里面完成数据处理和捕获设置等关键操作，从而实现高电平脉宽统计。在中断服务函数里面，跟以前的外部中断和定时器中断实验中一样，我们在中断开始的时候要进行中断类型判断，在中断结束的时候要清除中断标志位。使用到的函数在上面的实验已经讲解过，分别为 TIM_GetITStatus()函数和 TIM_ClearITPendingBit()函数。
if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET){}//判断是否为更新中断
if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET){}//判断是否发生捕获事件
TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update);//清除中断和捕获标志位
我们还使用到了一个设置计数器值的函数为：
TIM_SetCounter(TIM5,0);
4.6 使能定时器（设置 TIM5 的 CR1 寄存器）
最后，必须打开定时器的计数器开关， 启动 TIM5 的计数器，开始输入捕获。
TIM_Cmd(TIM5,ENABLE ); //使能定时器 5
通过以上 6 步设置，定时器 5 的通道 1 就可以开始输入捕获了，同时因为还用到了串口输出结果，所以还需要配置一下串口。
05. 程序示例
pwm.h
#ifndef __PWM_H__
#define __PWM_H__
#include "sys.h"
void TIM14_PWM_Init(u16 arr, u16 psc);
void TIM5_CH1_Cap_Init(u32 arr,u16 psc);
#endif/*__PWM_H__*/
pwm.c
#include "pwm.h"
//初始化 AF9
void TIM14_PWM_Init(u16 arr, u16 psc)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_InitTypeDef;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStruct;
//使能GPIO时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);
//使能定时器时钟
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM14, ENABLE);
//设置GPIO功能复用
GPIO_PinAFConfig(GPIOF, GPIO_PinSource9, GPIO_AF_TIM14);
//GPIO初始化
gpio_InitTypeDef.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
gpio_InitTypeDef.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
gpio_InitTypeDef.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
gpio_InitTypeDef.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
gpio_InitTypeDef.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
GPIO_Init(GPIOF, &gpio_InitTypeDef);
//时钟初始化
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = arr;
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = psc;
TIM_TimeBaseInit(TIM14, &TIM_TimeBaseInitStruct);
TIM_OCInitStruct.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStruct.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStruct.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;
TIM_OC1Init(TIM14, &TIM_OCInitStruct);
TIM_OC1PreloadConfig(TIM14, TIM_OCPreload_Enable);
TIM_ARRPreloadConfig(TIM14, ENABLE);
//使能定时器
TIM_Cmd(TIM14, ENABLE);
}
//定时器5通道1输入捕获配置
//arr：自动重装值(TIM2,TIM5是32位的!!)
//psc：时钟预分频数
void TIM5_CH1_Cap_Init(u32 arr,u16 psc)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
TIM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5,ENABLE); //TIM5时钟使能
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); //使能PORTA时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //GPIOA0
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//复用功能
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHz
GPIO_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PA0
GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource0,GPIO_AF_TIM5); //PA0复用位定时器5
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc; //定时器分频
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr; //自动重装载值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInit(TIM5,&TIM_TimeBaseStructure);
//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);//允许更新中断 ,允许CC1IE捕获中断
TIM_Cmd(TIM5,ENABLE ); //使能定时器5
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2;//抢占优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =0; //子优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据指定的参数初始化VIC寄存器、
}
//捕获状态
//[7]:0,没有成功的捕获;1,成功捕获到一次.
//[6]:0,还没捕获到低电平;1,已经捕获到低电平了.
//[5:0]:捕获低电平后溢出的次数(对于32位定时器来说,1us计数器加1,溢出时间:4294秒)
u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //输入捕获状态
u32 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //输入捕获值(TIM2/TIM5是32位)
//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
{
if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET)//溢出
{
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)//已经捕获到高电平了
{
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//高电平太长了
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80; //标记成功捕获了一次
TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFFFFFF;
}else TIM5CH1_CAPTURE_STA++;
}
}
if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET)//捕获1发生捕获事件
{
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40) //捕获到一个下降沿
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80; //标记成功捕获到一次高电平脉宽
TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM5);//获取当前的捕获值.
TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Rising); //CC1P=0 设置为上升沿捕获
}else //还未开始,第一次捕获上升沿
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //清空
TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0;
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40; //标记捕获到了上升沿
TIM_Cmd(TIM5,DISABLE ); //关闭定时器5
TIM_SetCounter(TIM5,0);
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
}
main.c
#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "beep.h"
#include "key.h"
#include "exti.h"
#include "iwdg.h"
#include "wwdg.h"
#include "timer.h"
#include "pwm.h"
extern u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA; //输入捕获状态
extern u32 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //输入捕获值
int main(void)
{
long long temp=0;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2
delay_init(168); //初始化延时函数
uart_init(115200);//初始化串口波特率为115200
TIM5_CH1_Cap_Init(0XFFFFFFFF,84-1); //以1Mhz的频率计数
while(1)
{
delay_ms(10);
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80) //成功捕获到了一次高电平
{
temp=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F;
temp*=0XFFFFFFFF; //溢出时间总和
temp+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //得到总的高电平时间
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
}
}
}
结果验证
打开串口调试助手，选择对应的串口，然后按 KEY_UP 按键，可以看到串口打印的高电平持续时间
06. 附录
6.1 【STM32】STM32系列教程汇总
07. 声明
该教程参考了正点原子的《STM32 F4 开发指南》
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