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1.3 输入捕获的主模式、从模式、触发源选择(简称:主从触发模式)
输入捕获,即Input Capture,英文缩写为IC。输入捕获模式下,当通道输入引脚出现指定电平跳变瞬间(可以定义为上升沿、下降沿),当前CNT的值将被锁存到CCR中(检测电平跳变,然后执行动作(作用和外部中断差不多,只不过外部中断执行的动作是向CPU申请中断,输入捕获执行的是控制后续电路)),可用于测量PWM波形的频率、占空比、脉冲间隔、电平持续时间等参数。在这里,脉冲间隔和频率差不多、电平持续时间和占空比也是互相对应的关系。
每个高级定时器和通用定时器都拥有4各输入捕获通道,且二者没有区别。基本定时器没有输入捕获的功能。
输入捕获模块可以配置为PWMI(PWM输入)模式和主从触发模式。PWMI模式是PWM的输入模式,专门用来同时测量PWM波形的频率和占空比的。主从触发模式可以实现对频率或占空比的硬件的全自动测量。把这两个功能结合起来,测量频率和占空比就是硬件全自动执行,软件不需进行任何干预,也不需进中断,需要测量的时候,直接读取CCR寄存器就行了,使用非常方便且极大地减轻了软件的压力。
如下图,左边为输入捕获电路,4个输入捕获和输出比较通道,共用4个CCR寄存器,另外它们的CH1到4的4个通道引脚也是共用的,所以对于同一个定时器,输入捕获和输出比较只能使用其中一个,不能同时使用。
输入捕获对比输出比较:
- 输出比较,引脚是输出端口,根据CNT和CCR的大小关系来执行输出动作
- 输入捕获,引脚是输入端口,接收到输入信号执行CNT锁存到CCR的动作
从左向右依次进行电路分析:
然后输出通过数据选择器,到达输入捕获通道1,数据选择器如果选择上面一个,那输入捕获通道1的输入就是三个引脚的异或值;若选择下面一个,异或门就没有用。设计异或门,其实还是为了三相无刷电机服务的,无刷电机有三个霍尔传感器检测转子的位置,可以根据转子的位置来进行换相。
输入捕获通道1的详细框图如下所示:(如下是上面框图的一个细化结构,基本功能都是一样的)
如上图,电路细节内容如下:
引脚进来,先经过一个滤波器,滤波器的输入是TI1就是CH1的引脚,输出的TI1F就是滤波后的信号
FDTS是滤波器的采样时钟来源
CCMR1寄存器里的ICF位可以控制滤波器的参数
滤波器的工作原理就是:以采样频率对输入信号进行采样,当连续N个值都为高电平,输出才为高电平,当连续N个值都为低电平,输出才为低电平,如果信号出现高频抖动,导致连续采样N个值不全都一样,那输出就不会变化,这样就可以达到滤波的效果。采样频率越低,采样个数N越大,滤波效果就越好。在实际应用中,如果波形噪声比较大,就可以把IC1F位参数设置大一点来过滤噪声。
滤波之后的信号通过边沿检测器。捕获上升沿或者下降沿
CCER寄存器里的CC1P位可以进行极性选择
最终得到TI1FP1触发信号
通过数据选择器,进入通道1后续的捕获电路。
CCR对CNT进行捕获之后,需要对CNT进行一次清0操作,这样每次捕获得到的值才是测周法,两个上升沿(下降沿)之间的时间间隔。这个清0操作,就需要用到主从触发模式来自动完成。由输入捕获通道1的详细框图可得:经过滤波和极性选择的TI1FP1信号和经过滤波的边沿信号TI1F_ED都可以通向从模式控制器,之后便可以通过硬件电路自动完成CNT的清0操作。
主从触发模式,即主模式、从模式和触发源选择三个功能的简称。主模式可以将定时器内部的信号映射到TRGO引脚,用于触发其他外设的操作;从模式可以接收其他外设或自身外设的一些信号,用于触发自己的一些操作(定时器的运行);触发源选择,即选择从模式的触发信号源功能,也可以认为它是从模式的一部分。
在从模式下,可以通过触发源选择功能选择一个信号产生TRGI信号,之后去触发从模式,从模式可以在上面列表中选择一项操作来自动执行。关于主从模式的详细说明可以参见手册:
1.4.1输入捕获基本结构
下图是输出捕获模式测频率的基本结构图。
上图清晰地展示了输入捕获模式测量频率的过程,同时也是编程的逻辑基础。在这里我们只使用了一个通道,所以它只能测量频率。
首先,配置时基单元,启动寄存器,则CNT就会在预分频之后的时钟驱动下不断自增。测周法用CNT来计数,间接实现计时的功能。经过预分频后的时钟频率,就是测周法的标准频率fc。之后,GPIO输入一个待测的方波信号,经过经过滤波器和边沿检测选择TI1FP1为上升沿触发,之后数据选择器选择直连通道,分频器选择不分频。当TI1FP1出现上升沿之后,CNT的值就会被CCR1转运捕获;同时触发源选择模块选择TI1FP1为触发信号,从模式选择复位操作,触发CNT清零(先后顺序是:先转运CNT的值到CCR,再触发从模式给CNT清零。或者是非阻塞的同时转移:CNT的值转移到CCR,同时0转移到CNT里面去,总之是先捕获,再清零)。当电路不断工作时,CCR1中的值始终是最新一个周期的计数值,即测周法的计次数 N。所以,当我们想读取信号的频率时,只需要读取CCR1得到N,再计算fc/N就得到频率了。当不需要读取时,整个电路全自动的测量,不需要占用任何软件资源。
这里需要注意以下两点:
- CNT的计数值是有上限的。由于ARR最大为65535,故CNT最大也只能计65535个数。如果信号频率太低,CNT的计数值可能会溢出。
- 从模式的触发源选择中有TI1FP1和TI2FP2,但是没有TI3和TI4的信号。所以如果要使用从模式自动清零CNT,就必须使用通道1或通道2作为输入。对于通道3和通道4,就只能开启捕获中断,在中断中手动清0了(程序会处于频繁中断的状态,比较占用软件资源)。
1.4.2 PWMI基本结构
PWMI模式使用两个通道同时捕获一个引脚,可以同时测量周期和占空比,相比前面输入捕获,下面多了一个TI1FP2的通道。
首先TI1FP1配置上升沿触发,触发捕获和清零CNT,正常的捕获周期,再来一个TI1FP2,配置为下降沿触发,通过交叉通道去触发通道2的捕获单元(最开始上升沿CCR1捕获同时清零CNT,之后CNT一直加,然后在下降沿时刻触发CCR2捕获,这时CCR2的值就是CNT从上升沿到下降沿的计数值也就是高电平期间的计数值,CCR2捕获并不触发CNT清零,所以CNT继续加,直到下一次上升沿,CCR1捕获周期并CNT清零,这样执行之后CCR1就是一整个周期的计数值,CCR2就是高电平期间的计数值,用CCR2/CCR1就是占空比,以上就是PWMI模式使用两个通道来捕获频率和占空比的思路。另外也可以两个通道同时捕获第一个引脚的输入)
如上图是频率逐渐降低的方波波形,越往左频率越高,越往右频率越低,这里信号都是只有高低电平的数字信号,对于STM32测频率而言,它也是只能测量数字信号的。如果需要测量一个正弦波则需要搭建一个信号预处理电路,最简单的就是用运放搭建一个比较器,把正弦波转换为数字信号再输入给STM32就行了;如果你测量的信号电压非常高,那还要考虑隔离的问题,比如使用隔离放大器、电压互感器等元件,隔离高压端和低压端,保证电路的安全。总之,经过处理最终输入给STM32的信号是如上图的高低电平信号,高电平3.3v,低电平0v。
为了测量频率,有两种方法可以选择:测频法、测周法
测频法:定时器中断,并记录捕获次数;测周法:捕获中断,并记录定时器次数。
测频法的测试方法(直接按频率定义来进行测量的方法)是:在闸门时间T内,对上升沿(也可以是下降沿)计次,得到N,则待测信号频率
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