STM32如何实现输入捕获功能

发布时间：2021-12-27 11:35:18 作者：小新
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# STM32如何实现输入捕获功能

## 1. 输入捕获功能概述

输入捕获（Input Capture）是STM32定时器的重要功能之一，主要用于精确测量外部信号的脉冲宽度、周期或频率。其工作原理是：当检测到输入引脚上的特定边沿（上升沿或下降沿）时，定时器会立即将当前计数器的值捕获到特定的寄存器中，同时可以触发中断或DMA请求。

### 1.1 典型应用场景
- 测量PWM信号占空比
- 红外遥控信号解码
- 旋转编码器信号处理
- 超声波测距（测量回波时间）

## 2. STM32定时器的输入捕获架构

### 2.1 相关寄存器
1. **TIMx_CCMR1/2**：输入捕获模式配置
2. **TIMx_CCER**：捕获/比较使能
3. **TIMx_CCRx**：捕获/比较寄存器
4. **TIMx_DIER**：中断使能寄存器
5. **TIMx_SR**：状态寄存器

### 2.2 硬件连接原理
```c
[外部信号] --> [GPIO引脚] --> [定时器输入通道]
                      ↑
               [边沿检测电路]
                      ↓
           [捕获寄存器(TIMx_CCRx)]

3. 输入捕获配置步骤详解

3.1 GPIO初始化

以TIM2_CH1（PA0）为例：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF1_TIM2;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

3.2 定时器基础配置

TIM_HandleTypeDef htim2;

htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 71;                // 72MHz/(71+1)=1MHz计数频率
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 0xFFFF;               // 16位最大值
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
HAL_TIM_IC_Init(&htim2);

3.3 输入捕获通道配置

TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC;

sConfigIC.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; // 上升沿捕获
sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;      // 不分频
sConfigIC.ICFilter = 0x0;                    // 不滤波
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1);

3.4 中断配置（可选）

HAL_NVIC_SetPriority(TIM2_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
__HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim2, TIM_IT_CC1);

3.5 启动捕获

HAL_TIM_IC_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
// 或使用中断模式
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

4. 输入捕获模式详解

4.1 单边沿捕获模式

仅捕获一种边沿（上升沿或下降沿），适合测量低频信号周期。

测量周期公式：

周期 = (第二次捕获值 - 第一次捕获值) * (1/定时器时钟频率)

4.2 双边沿捕获模式（PWM输入模式）

// 配置两个通道协同工作
sConfigIC.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_RISING;
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1);

sConfigIC.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_FALLING;
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_2);

占空比计算：

占空比 = (下降沿捕获值 - 上升沿捕获值) / 周期值 * 100%

5. 高级应用技巧

5.1 捕获溢出处理

当信号周期超过定时器自动重装载值时：

// 在中断处理中添加溢出计数
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if(__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_UPDATE)) {
        overflowCount++;
        __HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_UPDATE);
    }
    // ...其他中断处理
}

5.2 数字滤波配置

通过TIMx_CCMRx寄存器中的ICF位可配置数字滤波器：

sConfigIC.ICFilter = 0x6; // 6个时钟周期滤波

5.3 使用DMA传输捕获数据

HAL_TIM_IC_Start_DMA(&htim2, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t*)captureBuffer, BUFFER_SIZE);

6. 实际应用示例：测量PWM频率和占空比

6.1 硬件连接

PWM信号源 → PA0（TIM2_CH1）

6.2 完整代码实现

// 变量定义
volatile uint32_t IC_Value1 = 0, IC_Value2 = 0;
volatile uint32_t DutyCycle = 0, Frequency = 0;

// 中断处理
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if(htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1) {
        if(Is_First_Captured == 0) {
            IC_Value1 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
            Is_First_Captured = 1;
            // 切换为下降沿捕获
            __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_FALLING);
        } else {
            IC_Value2 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
            __HAL_TIM_SET_COUNTER(htim, 0);
            
            if(IC_Value2 > IC_Value1) {
                DutyCycle = (IC_Value2 - IC_Value1) * 100 / htim->Instance->ARR;
                Frequency = HAL_RCC_GetPCLK1Freq() / (htim->Instance->PSC * htim->Instance->ARR);
            }
            Is_First_Captured = 0;
            // 恢复上升沿捕获
            __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_RISING);
        }
    }
}

7. 常见问题与解决方案

7.1 捕获值不准确

可能原因：GPIO配置错误、滤波器设置不当
解决方案：
1. 确认GPIO已配置为复用功能模式
2. 适当增加数字滤波器值

7.2 无法触发捕获中断

检查步骤：
1. 确认NVIC中断已使能
2. 检查TIMx_DIER寄存器CCxIE位是否置1
3. 验证信号边沿极性配置

7.3 高频信号测量误差大

优化方案：
1. 提高定时器时钟频率（减小预分频值）
2. 使用定时器的输入分频功能
3. 考虑使用更高性能的定时器（如TIM1高级定时器）

8. 性能优化建议

时钟源选择：使用内部时钟同步模式提高精度
DMA应用：对于高频采样，使用DMA减少CPU开销
定时器级联：超长周期测量时可级联多个定时器
硬件滤波：配合外部RC电路提高信号质量

9. 不同STM32系列的差异说明

特性	F1系列	F4/F7系列	H7系列
最大捕获频率	72MHz	168MHz	480MHz
滤波器级数	4位	8位	8位
专用PWM输入模式	仅高级定时器	所有定时器	所有定时器

10. 总结

STM32的输入捕获功能为精确时间测量提供了灵活的硬件解决方案。通过合理配置定时器和相关外设，开发者可以实现从简单脉冲测量到复杂PWM分析的各种应用。掌握输入捕获技术将大大增强嵌入式系统对外部信号的处理能力。

关键点回顾： 1. 正确配置GPIO复用功能是基础 2. 定时器时钟配置直接影响测量精度 3. 中断/DMA处理可提高系统效率 4. 结合溢出处理可扩展测量范围 “`

注：本文约2950字，采用Markdown格式编写，包含代码示例、配置步骤和实用技巧。实际使用时可根据具体STM32型号调整寄存器配置。