高級(jí)定時(shí)器PWM輸入模式的配置方法

MCU微課堂

CKS32F107xx TIM（三）

第四十八期 2024.11.08

PWM輸入捕獲

上節(jié)課我們介紹了高級(jí)定時(shí)器互補(bǔ)PWM輸出的配置方法，這節(jié)課我們將向大家介紹高級(jí)定時(shí)器的另一個(gè)常見應(yīng)用——PWM輸入模式。在本節(jié)課中，我們將先圍繞輸入捕獲模式展開，并重點(diǎn)描述PWM輸入模式和涉及的寄存器，最后通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)例程去介紹PWM輸入模式的配置方法。

輸入捕獲模式簡(jiǎn)介

1、普通輸入模式

除基本定時(shí)器外，其余定時(shí)器的部分通道都可以對(duì)輸入信號(hào)的上升沿、下降沿或者雙邊沿進(jìn)行捕獲，并且計(jì)數(shù)器CNT的值會(huì)被鎖存到捕獲/比較寄存器CCR中。當(dāng)我們需要同時(shí)捕獲PWM波的頻率和占空比時(shí)，僅需要測(cè)出一個(gè)周期中高電平和低電平持續(xù)的時(shí)間即可。我們可嘗試如下步驟：首先將定時(shí)器的某一通道初始設(shè)置為上升沿捕獲，當(dāng)發(fā)生第一次捕獲到上升沿的中斷，以此中斷時(shí)刻作為一個(gè)起點(diǎn)，讀取CCR中值為Value1，此時(shí)將捕獲模式設(shè)置為下降沿捕獲，在發(fā)生第二次中斷的時(shí)候，捕獲到了下降沿，讀取CCR中值為Value2，那么Value2和Value1之間的差值，就是一個(gè)周期中高電平持續(xù)的時(shí)間，然后我們?cè)谥袛嘀杏謱⒉东@的方式設(shè)置為上升沿捕獲，那么在第三次產(chǎn)生中斷的時(shí)候，讀取CCR中值為Value3，那么Value3和Value2之間的差值就是一個(gè)周期中低電平的時(shí)間。至此，PWM波的頻率可由Value3和Value1之間的差值計(jì)算出，正占空比則可通過高電平占整個(gè)周期的比值獲得。如下圖1所示：

圖1 普通輸入捕獲概覽圖

2、PWM輸入模式

PWM輸入模式是普通輸入模式的一種特例，以輸入通道TI1為例，PWM信號(hào)進(jìn)入該通道后，信號(hào)被分成TI1FP1和TI1FP2兩路，最終分別映射到了IC1和IC2捕獲通道，其中一個(gè)捕獲上升沿，另一個(gè)捕獲下降沿。這樣用戶可以在中斷中去讀上升沿和下降沿對(duì)應(yīng)寄存器中的計(jì)數(shù)，從而得出周期和占空比。并且用戶在設(shè)計(jì)之初，需要先選定哪一路為觸發(fā)信號(hào)以及觸發(fā)極性，一旦選定某一路為觸發(fā)信號(hào)則對(duì)應(yīng)的即為周期，另一路則對(duì)應(yīng)為占空比，兩路捕獲極性也是相反的，并且因?yàn)槭荘WM輸入捕獲的緣故，當(dāng)其中一路配置完成，另一路由硬件自動(dòng)配置，無需軟件來配置。圖2為PWM輸入模式時(shí)序圖。

圖2 PWM輸入模式時(shí)序圖

其中，IC1捕獲通道計(jì)算兩次都是上升沿的時(shí)間，即周期T；而IC2通道則計(jì)算一次下降沿和之前上升沿之差，這樣得到高電平時(shí)長(zhǎng)，從而可以求得周期T和占空比。需要注意的是，PWM輸入模式需要占用兩個(gè)捕獲寄存器，且只有TI1FP1和TI2FP2連接到了從模式控制器（使用PWM輸入捕獲時(shí)，需要配置從模式控制器為復(fù)位模式），所以只能使用定時(shí)器的通道1或通道2。

寄存器和輸入捕獲結(jié)構(gòu)體概述

1、捕獲/比較寄存器CCMR

關(guān)于CCMR寄存器，上節(jié)課我們介紹了輸出比較模式，這節(jié)課我們來介紹下輸入捕獲模式，該寄存器的各位描述圖如下：

圖3 CCMR1寄存器各位描述圖

該16位寄存器CCMR的下層對(duì)應(yīng)輸入捕獲（上層對(duì)應(yīng)輸出比較），其中CCMR1用于捕獲通道1和2的控制，CCMR2用于捕獲通道3和4的控制。下圖為低8位詳細(xì)描述圖，用于捕獲通道1。

圖4 CCMR1寄存器低7位描述圖

參數(shù)CC1S，用于輸入捕獲/輸出比較通道的引腳選擇，若我們?cè)O(shè)置CCIS[1:0] = 01，表明CC1通道（對(duì)應(yīng)定時(shí)器的通道1）被配置為輸入，IC1映射在TI1上。

參數(shù)IC1PSC，配置為00時(shí)，表明每1個(gè)邊沿觸發(fā)1次捕獲。

參數(shù)IC1F，用來設(shè)置TI1輸入采樣頻率和數(shù)字濾波器長(zhǎng)度，本課中我們不做濾波處理。

2、捕獲/比較使能寄存器CCER

在本課中我們僅用到低2位CC1E和CC1P，由于我們需要在中斷中處理捕獲的數(shù)據(jù)，所以配置CC1E為1，CC1P配置為不反相，故設(shè)置為0。CCER低2位圖如下描述。

圖5 CCMR1寄存器低7位描述圖

3、輸入捕獲結(jié)構(gòu)體TIM_ICInitTypeDef

可配合TIM_PWMIConfig函數(shù)完成定時(shí)器輸入通道各參數(shù)的初始化配置。輸入捕獲結(jié)構(gòu)體的各參數(shù)定義如下：

typedef struct

{

uint16_t TIM_Channel;
uint16_t TIM_ICPolarity;
uint16_t TIM_ICSelection;
uint16_t TIM_ICPrescaler;
uint16_t TIM_ICFilter;

} TIM_ICInitTypeDef;

1）參數(shù)TIM_Channel：設(shè)定CCMRx寄存器CCxS位，用于捕獲通道ICx選擇。

2）參數(shù)TIM_ICPolarity：設(shè)定CCER寄存器CCxP位和CCxNP位，用于輸入捕獲邊沿觸發(fā)選擇。

3）參數(shù)TIM_ICSelection：設(shè)定CCRMx寄存器的CCxS[1:0]位，用于輸入通道選擇，輸入通道共有三個(gè)來源，分別為：TIM_ICSelection_DirectTI、TIM_ICSelection_IndirectTI或TIM_ICSelection_TRC。若為普通輸入模式，4個(gè)通道均能使用；若為PWM輸入模式，只能使用通道1和2。輸入通道和捕獲通道的映射關(guān)系詳見下圖。

圖6 輸入通道和捕獲通道的映射關(guān)系

4）參數(shù)TIM_ ICPrescaler：設(shè)定CCMRx寄存器的ICxPSC[1:0]位的值，用來設(shè)置輸入捕獲分頻系數(shù)，有1、2、4、8分頻可選。這里我們需要捕獲輸入信號(hào)的每個(gè)有效邊沿，故設(shè)置為1分頻即可。

5）參數(shù)TIM_ ICFilter：設(shè)定CCMRx寄存器ICxF[3:0]位，用于設(shè)置輸入捕獲濾波器。

本課中我們配置的示例代碼如下：

TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;

TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0;

TIM_PWMIConfig(TIM1, &TIM_ICInitStructure);

上述代碼中，我們?cè)O(shè)置定時(shí)器的通道1為上升沿捕獲，且輸入通道1（TI1）與捕獲通道1（IC1）為直接映射，不分頻，不使用濾波器。

PWM模式輸入配置實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)配置高級(jí)定時(shí)器的通道1，即PA8，用于捕獲信號(hào)發(fā)生器輸出PWM信號(hào)，最后通過串口調(diào)試助手打印捕獲到的PWM的頻率和占空比。主要的編程要點(diǎn)如下。

1、高級(jí)定時(shí)器引腳初始化

由于TIM1_CH1是連接在PA8上，這里需要開啟GPIOA時(shí)鐘，并配置引腳為浮空輸入，我們配置的代碼如下：

void TIM1_GPIO_Configuration(void)

{

GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

}

2、高級(jí)定時(shí)器中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置

之前的課程中讓我們對(duì)中斷優(yōu)先級(jí)已經(jīng)有了深入了解，這里因?yàn)槲覀冎挥幸粋€(gè)捕獲/比較中斷源，所以優(yōu)先級(jí)隨便設(shè)置，我們配置的代碼如下：

void TIM1_NVIC_Configuration(void)

{

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0);

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM1_CC_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

3、高級(jí)定時(shí)器PWM輸入模式配置

我們主要對(duì)時(shí)基和輸入捕獲結(jié)構(gòu)體初始化，配置代碼如下：

void TIM1_Input_Capture_Mode_Configuration(void)

{

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);

/* Time Base Configuration */

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 65535-1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72-1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;

TIM_TimeBaseStructure.TIM_RepetitionCounter=0;

TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure);

/* PWM Input Capture Configuration */

TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;

TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0;

TIM_PWMIConfig(TIM1, &TIM_ICInitStructure);

TIM_SelectInputTrigger(TIM1, TIM_TS_TI1FP1);

TIM_SelectSlaveMode(TIM1, TIM_SlaveMode_Reset);

TIM_SelectMasterSlaveMode(TIM1,TIM_MasterSlaveMode_Enable);

TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_CC1, ENABLE);

TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_CC1);

TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);

}

從上述示例代碼來看，我們首先將TIM1_CH1的捕獲計(jì)數(shù)器設(shè)置為1us計(jì)數(shù)一次，重裝載值為65535，所以可以捕獲的時(shí)間精度為1us，最低可捕獲的頻率為15.3Hz。其次，我們選擇TIM1的通道1（TI1）作為PWM信號(hào)輸入，并選擇TI1FP1為觸發(fā)信號(hào)（輸入的信號(hào)被分為TI1FP1和TI1FP2），因此IC1捕獲PWM信號(hào)周期，IC2捕獲PWM信號(hào)占空比。而且由于PWM輸入模式下，當(dāng)捕獲開始時(shí)，需要將CNT復(fù)位，所以我們需要配置定時(shí)器以從模式工作在復(fù)位模式下，最后使能捕獲中斷和高級(jí)定時(shí)器。

4、高級(jí)定時(shí)器中斷服務(wù)函數(shù)配置

在函數(shù)TIM1_CC_IRQHandler中，如果是第一個(gè)上升沿中斷，計(jì)數(shù)器CNT會(huì)被復(fù)位，鎖存到CCR1寄存器的值是0，CCR2寄存器的值也是0，無法計(jì)算頻率和占空比。當(dāng)?shù)诙紊仙氐絹淼臅r(shí)候，CCR1和CCR2捕獲到的才是有效的值。其中CCR1對(duì)應(yīng)的是周期，CCR2對(duì)應(yīng)的是占空比。我們配置的代碼如下：

void TIM1_CC_IRQHandler(void)

{

TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_CC1);

IC1Value = TIM_GetCapture1(TIM1);

IC2Value = TIM_GetCapture2(TIM1);

if (IC1Value != 0)

{

DutyCycle = (float)((IC2Value+1) * 100) / (IC1Value+1);

Frequency = (72000000/((72-1)+1))/(float)(IC1Value+1);

printf("占空比：%0.2f%% 頻率：%0.2fHz ", DutyCycle, Frequency);

}

else

{

DutyCycle = 0;

Frequency = 0;

}

}

5、主函數(shù)配置

main函數(shù)就是對(duì)上述函數(shù)的調(diào)用，配置示例如下：

int main(void)

{

CKS_USART_Init();

printf("CKS Timer Input Capture Demo start running... ");

TIM1_GPIO_Configuration();

TIM1_NVIC_Configuration();

TIM1_Input_Capture_Mode_Configuration();

while(1){}

}

至此，我們配置已完成。

6、下載驗(yàn)證

我們將編譯好的程序下載至CKS32F107xx開發(fā)板，信號(hào)發(fā)生器和PWM輸入引腳PA8通過杜邦線連接，USB轉(zhuǎn)TTL模塊分別與UART1—PA9和電腦相連，然后打開串口調(diào)試助手，查看打印信息。