STM32输入捕获模式详解（上篇）：原理、测频法与测周法

1. 前言

在嵌入式系统的开发过程中，常常需要对外部信号进行精确的时间测量，如测量脉冲信号的周期、频率以及占空比等。STM32系列微控制器提供了丰富的定时器资源，其中的输入捕获（Input Capture, IC）模式能实现对信号的上升沿或下降沿的捕获，为测量这些信号提供了强大的工具。

本文将详细讲解STM32输入捕获模式的基本原理，特别是测频法和测周法，并结合STM32定时器内部电路的运行流程，解释数据是如何传输和处理的。代码部分参考标准库函数以及你给出的初始化代码。

2. 输入捕获模式的基本概念

输入捕获模式用于测量外部信号的特征，例如脉冲信号的频率、周期以及占空比。在STM32中，输入捕获是通过定时器（Timer）硬件资源完成的。定时器的一个或多个通道被配置为输入捕获模式，捕捉信号的特定边沿（上升沿或下降沿）。每次信号沿触发时，定时器会将当前计数器值存储到捕获寄存器中。然后可以通过软件读取这些寄存器的值进行时间计算。

3. STM32输入捕获模式的工作原理

STM32的输入捕获功能通过定时器的通道（Channel）来实现，定时器内部的输入捕获寄存器（Capture Register, CCRx）用于记录信号触发时的计数器值（CNT）。STM32定时器每个通道都可以设置为输入捕获模式。

输入捕获的基本步骤：

1. 定时器开始计数，并根据配置以一定频率递增。
2. 当外部信号到来时，捕获触发发生（如上升沿或下降沿），此时将定时器的当前值捕获到相应的捕获寄存器中。
3. 软件读取捕获值，并计算信号的周期、频率或占空比。

4. 定时器和寄存器的运行流程

在输入捕获模式下，STM32的定时器通过以下几个关键硬件模块协同工作：

• 定时器计数器（CNT）： 定时器的核心部分，持续递增，记录经过的时间。
• 捕获寄存器（CCRx）： 定时器在检测到输入信号的触发边沿时，将当前CNT值保存到对应的捕获寄存器。
• 输入选择电路（TIx）： 外部信号经过输入通道选择电路，定时器可以根据配置决定捕获上升沿或下降沿。
• 触发控制逻辑： 控制信号沿的检测逻辑，根据输入选择的边沿触发事件，执行捕获操作。

内部电路工作流程：

1. 外部信号通过GPIO引脚进入，GPIO被配置为输入模式，并通过内部电路连接到定时器的捕获输入通道（如CH1）。
2. 当GPIO引脚检测到信号的上升沿或下降沿时，捕获逻辑触发，将当前定时器计数器值保存到相应的捕获寄存器。
3. 软件从捕获寄存器读取值，并计算信号特性。

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5. 测频法与测周法

在输入捕获模式中，常用的测量方法包括测频法和测周法，它们各有特点并适用于不同的应用场景。

5.1 测频法（Frequency Measurement）

测频法是一种通过测量输入信号周期来计算其频率的方法。具体步骤如下：

1. 配置定时器以捕获输入信号的两个连续上升沿的时间（或下降沿）。
2. 记录定时器的捕获寄存器（CCR1）的两个值，计算这两个值的差值。
3. 根据定时器的时钟频率（F_TIM）以及预分频值（PSC），计算信号的频率。

公式：

5.2 测周法（Period Measurement）

测周法通过测量输入信号的单个周期长度来计算信号的频率。其原理是通过定时器捕获信号的上升沿和下降沿，并计算上升沿到上升沿的时间差，从而得到周期。

步骤：

1. 配置定时器，捕获信号的上升沿与下一次上升沿。
2. 捕获到的定时器计数值差即为信号的周期。
3. 使用公式计算周期：

然后反向计算频率：

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6. STM32输入捕获模式的代码实现

以下代码展示了如何在STM32中实现输入捕获模式，测量外部信号的频率。代码基于你提供的代码示例，使用标准库函数进行定时器和GPIO的初始化。

输入捕获初始化函数：

void IC_Init(void)
{// 使能GPIOA和TIM3时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);// 配置PA6为输入模式GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; // 上拉输入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;     // PA6引脚GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// 配置TIM3内部时钟TIM_InternalClockConfig(TIM3);// 配置定时器基本参数TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructre;TIM_TimeBaseInitStructre.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseInitStructre.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInitStructre.TIM_Period = 65536 - 1;     // 自动重装载值 (ARR)TIM_TimeBaseInitStructre.TIM_Prescaler = 72 - 1;     // 预分频值 (PSC)TIM_TimeBaseInitStructre.TIM_RepetitionCounter = 0;  // 重复计数器TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructre);// 配置TIM3输入捕获通道1（上升沿捕获）TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0xf;                // 滤波TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;  // 上升沿捕获TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;  // 输入分频TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; // 直接TI输入TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);// 启动TIM3TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

计算信号频率和占空比：

// 获取PWM信号的频率
uint32_t IC_GetFreq(void)
{return 1000000 / (TIM_GetCapture1(TIM3) + 1);  // 单位为Hz
}// 获取PWM信号的占空比
uint32_t IC_GetDuty(void)
{return (TIM_GetCapture2(TIM3) + 1) * 100 / (TIM_GetCapture1(TIM3) + 1);
}

7. 小结

在本文中，我们详细讲解了STM32的输入捕获模式，介绍了测频法与测周法的概念，并结合代码实现了基本的输入捕获功能。通过配置定时器的捕获寄存器和GPIO，我们可以精确测量输入信号的频率和占空比。在实际项目中，您是更倾向于使用测频法还是测周法？是否遇到过捕获不准确的问题，如何解决？欢迎在评论区分享您的经验和见解！

下篇预告：在下一篇文章中，我们将进一步探讨如何通过STM32的PWI模式来实现对PWM信号的频率和占空比的测量，深入讲解定时器的两个通道如何协同工作。