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STM32单片机-输入捕获、FFT测频_stm32信号处理

作者：秋刀鱼在做梦 | 2024-08-08 15:54:12

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stm32信号处理

本内容介绍基于STM32F103VET6的一个实际工程中添加采集A相电压信号或B相电流信号频率的功能，分别通过输入捕获与FFT实现，均测试可用。紫色文字是超链接，点击自动跳转至相关博文。持续更新，原创不易！

一、硬件连接

1、电压信号处理电路仿真

图1.1.1 Proteus仿真图(使用教程)

2、单片机连接

主控MCU：STM32F103ZET6(STM32的介绍)，LM293输出连接在PB0上检测电压信号的频率，如图1.1.1与图1.2.1所示。

图1.2.1 原理图截图

图1.2.2 管脚功能截图

如图1.2.2所示，注意其中的TIM3_CH2N是PWM捕获比较输出，TIM3_CH3才是输入捕获。

图1.2.3 内部高级控制定时器框图

二、代码部分

这里通过STM32输入捕获或FFT转换两种方式实现频率的测量，在实际工程中都已实现。STM32输入捕获信号幅度小于2V时，单片机检测不到跳变沿，需硬件对信号适当处理(如图1.1.1)。

PB0/ADC8也可用ADC读信号电压值，ADC值为0时进行记录，再次为0就相当于经过了半个周期。计算两次ADC为0的时间差，就可以计算出信号的频率，这种方法不会受限于信号幅度的限制。

1、通过STM32输入捕获

下面的程序采集PB0口(图1.2.1)的电压信号，因频率较低，且要求继电器出口时间小于35mS，采用测周法计算频率。给出主要部分定时器配置与定时器中断程序。因上升沿示波器测试并不陡峭(图1.1.1仿真图也可看出)，故取一周波两次下降沿。

注意：后期的处理程序必须捕获到两个下降沿的前提下，才能作相应的处理。采集程序未完成，此时处理会出错。

图2.1.1 示波器信号

1）定时器配置


void adc_TIM_Init(void)
{
   TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; //定时器
   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //端口
   TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; //输入捕获
   
   //初始化GPIO口
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入模式
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;
   GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
   GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);
   
   //使能时钟
   RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE); //TIM3
   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
   
   //初始化TIM3定时
   TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
   TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 17; //1MHz计数脉冲 1uS
   TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 65535;
   TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0x0;
   TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //向上计数
   TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
   TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);
   
   //初始化TIM3 Channel3输入捕获IC(Input Capture)
   TIM_ICInitStructure.TIM_Channel=TIM_Channel_3;
   TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity=TIM_ICPolarity_Falling; //下降沿捕获
   TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection=TIM_ICSelection_DirectTI; //管脚与寄存器一一对应
   TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1; //有下降沿就捕获，不分频
   TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter=0x00; //不打开输入捕获滤波器
   TIM_ICInit(TIM3,&TIM_ICInitStructure);
 
   TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE); //允许定时中断
   TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_CC3,ENABLE); //允许CC3捕获中断
   TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);
…………
}

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2）定时溢出与输入捕获中断


void TIM3_IRQHandler(void) //TIM3
{
   static u8 CapStatus = 0;
//捕获状态，CapStatus=0未捕获到第1个下降沿，CapStatus=1捕获到第1个下降沿
   static u8 TIM3_CH3_Capture = 0; //总的计数次数
   u32 FrequencyTemp = 0;
   
   if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)) //TIM3定时溢出更新中断
   {
      TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update); //清除中断标志位
      if(CapStatus)
         TIM3_CH3_Capture++;
   }
   
   if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_CC3)) //RB0输入捕获中断
   {
      TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_CC3); //清除中断标志位
      if(!CapStatus)
      {
         CapStatus = 1;
         TIM_SetCounter(TIM3,0); //计数器清零
      }
      else if(CapStatus) //已经捕获到第1个下降沿
      {
         CapStatus = 0;
         FrequencyTemp=TIM_GetCapture3(TIM3)+TIM3_CH3_Capture*65536;//计算两个下降沿总计数
         TIM3_CH3_Capture = 0; //溢出次数清零
         TIM_SetCounter(TIM3,0); //计数器清零
         FrequencyValue = 400000000/FrequencyTemp;//计算频率，比如5000，单位0.01Hz
      }
   }
}

图2.1.2 继保频率设置

图2.1.3 实际测量值

2、通过FFT实现

1）概述

下面是采集PC1口(图1.2.1)的小通道电流信号，计算频率，其固件具ST官方DSP库实现FFT，测试固件移步：FFT(具ST官方DSP库实现)。

图2.2.1 实际测量值

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2）数据采集

使用STM32F103自带的12位ADC进行数据采集，定时器触发ADC采集，DMA搬运，定时器时间自行设置，采样频率已知。此部分相关内容移步：ADC转换汇总(采样原理、取平均、精度等)。

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3）功能介绍

通过FFT可以准确测量电压值、电流值；互感器二次值精确到小数点后2位无压力，电流范围大，硬件增加大小通道、程序分别采集；涌流二次谐波含量最多，故可实现二次谐波制动，谐波的相关介绍移步：电力-涌流抑制与谐波。

三段式保护移步：继电保护原理1.1-电流、方向保护，反时限移步：继电保护原理1.2-反时限过流保护，重合闸移步：继电保护原理4-自动重合闸之第五章、自动重合闸。

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已实现FFT的控制板：

图2.2.2 主控板正面

图2.2.3 主控板反面

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GSM短信功能介绍移步：SIM7600CE模块(GSM/GPRS)调试。

图2.2.4 4G短信试验板

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GPRS数据功能介绍移步：STM32-GPRS模块连接系统主站，可以采用映翰通工业数据终端做透明传输。

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以太网功能板，本方案基于W5500，详细的介绍移步：网络知识汇总(基于W5500以太网)。

图2.2.5 以太网主控板

图2.2.6 以太网接口板

3、屏显驱动介绍

移步：12864液晶显示原理(C代码)。

图2.3.1 英文显示

三、测频法计算频率

网上找的资料，不保证正确性，没有实际测试过，仅供参考。通过在一定时间内检测跳边沿的个数可计算出频率：频率 = 上升沿或下降沿个数/统计时间。

1、外部中断统计跳边沿个数

配置一个定时器每隔一定时间对频率进行计算。部分代码如下。


void exti_init(void)  //外部中断初始化函数
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
 
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);
       
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);
 
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOC, GPIO_PinSource2);
//选择GPIO引脚用作外部中段线路
//此处一定要记住给端口管脚加上中断外部线路
 
    EXTI_InitStructure.EXTI_Line=EXTI_Line2;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Falling;  //下降沿进中断
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure); 
 
 
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);  
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI2_IRQn; //打开EXTI2的全局中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; //设置优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;   
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   //使能
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

外部中断函数：


void EXTI2_IRQHandler(void)    
{
    if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line2)==SET)
    {
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);//清中断
        if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_2)==Bit_RESET)    //确定沿
        {
            cnt++;
        } 
    }
}

定时器中断函数：


void TIM3_IRQHandler(void)   
{
 
    frequent = cnt; //定时器设置时间为1s时
    cnt = 0;  //清零计数cnt
    TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);    //清标志位
}

2、定时器外部计数的方法

采用定时器外部计数的方法，另外一个定时器负责每隔一段时间计算频率，部分代码如下。


void time_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM2_TimeBaseInitStructure;  
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM3_TimeBaseInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
 
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);
 
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);//清除TIM2中断标志位
    TIM2_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 0xFFFF;//设置自动重装载值
    TIM2_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 0;//设置分频
    TIM2_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; 
    TIM2_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//向上计数
    TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM2_TimeBaseInitStructure);
  
    TIM_ETRClockMode1Config(TIM2, TIM_ExtTRGPSC_OFF,TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted, 0x00);  //设置为采用外部时钟计数,可设定滤波参数消除信号干扰
    TIM_Cmd(TIM2,ENABLE); 
    TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);
    TIM3_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 999;
    TIM3_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 3599;
    TIM3_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; 
    TIM3_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM3_TimeBaseInitStructure);
    TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);
    TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE );
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM3_IRQn; 
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;  
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

定时器中断函数：


void TIM3_IRQHandler(void)  
{
    static u8 i;
    static u32 frequent_sum;
    TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);   //清中断
 
    if(i<19)
    {
        cnt += TIM_GetCounter(TIM2);  //，获取计数器的值，累加减少误差
        TIM_SetCounter(TIM2,0);    //计数器清零
        i++;
    }
    else
    {
        cnt += TIM_GetCounter(TIM2);
        TIM_SetCounter(TIM2,0);
        cnt += cnt*0.000025; //根据实际情况修改系数线性补偿
        frequent = cnt;
        i = 0;
        cnt = 0;
    }
}

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STM32单片机-输入捕获、FFT测频_stm32信号处理

目录：

一、硬件连接

1、电压信号处理电路仿真

2、单片机连接

二、代码部分

1、通过STM32输入捕获

1）定时器配置

2）定时溢出与输入捕获中断

2、通过FFT实现

1）概述

2）数据采集

3）功能介绍

3、屏显驱动介绍

三、测频法计算频率

1、外部中断统计跳边沿个数

2、定时器外部计数的方法