掌握這三個思路告訴你如何使用STM32測量頻率和占空比

題目

（1）測量脈沖信號頻率fo，頻率范圍為10Hz～2MHz，測量誤差的絕對值不大于0.1%。

（2）測量脈沖信號占空比D，測量范圍為10%～90%，測量誤差的絕對值不大于2%。

使用官方STM32F429 Discovery開發(fā)板，主頻180MHz，定時器頻率90MHz。

思路一、外部中斷

這種方法是很容易想到的，而且對幾乎所有MCU都適用（連51都可以）。方法也很簡單，聲明一個計數(shù)變量TIM_cnt，每次一個上升沿/下降沿就進(jìn)入一次中斷，對TIM_cnt++，然后定時統(tǒng)計即可。如果需要占空比，那么就另外用一個定時器統(tǒng)計上升沿、下降沿之間的時間即可。

缺陷顯而易見，當(dāng)頻率提高，將會頻繁進(jìn)入中斷，占用大量時間。而當(dāng)頻率超過100kHz時，中斷程序時間甚至將超過脈沖周期，產(chǎn)生巨大誤差。同時更重要的是，想要測量的占空比由于受到中斷程序影響，誤差將越來越大。

筆者當(dāng)時第一時間就把這個方案PASS了，沒有相關(guān)代碼（這個代碼也很簡單）。不過，該方法在頻率較低（10kHz以下）時，可以拿來測量頻率。在頻率更低的情況下，可以拿來測占空比。

思路二、PWM輸入模式

翻遍ST的參考手冊，在定時器當(dāng)中有這樣一種模式：

簡而言之，理論上，通過這種模式，可以用硬件直接測量出頻率和占空比。當(dāng)時我們發(fā)現(xiàn)這一模式時歡欣鼓舞，以為可以一步解決這一問題。

但是，經(jīng)過測量之后發(fā)現(xiàn)這種方法測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定也不精確，數(shù)據(jù)不停跳動，且和實際值相差很大。ST的這些功能經(jīng)常有這種問題，比如定時器的編碼器模式，在0點處頻繁正負(fù)跳變時有可能會卡死。這些方法雖然省事，穩(wěn)定性卻不是很好。

經(jīng)過線性補償可以一定程度上減少誤差（參數(shù)在不同情況下不同）：

freq=Frequency×2.2118－47.05

這種方法無法實現(xiàn)要求。所以在這里筆者并不推薦這種方法。

思路三、輸入捕獲

一般來說，對STM32有一定了解的人在測量頻率的問題上往往都會想到利用輸入捕獲。

首先設(shè)定為上升沿觸發(fā)，當(dāng)進(jìn)入中斷之后（rising）記錄與上次中斷（rising_last）之間的間隔——周期，其倒數(shù)就是頻率。

再設(shè)定為下降沿，進(jìn)入中斷之后與上升沿時刻之差即為高電平時間（falling-rising_last），高電平時間除周期即為占空比。

該方法尤其是在中低頻（<100kHz）之下精度不錯。

缺點是該方法仍然會帶來極高的中斷頻率。在高頻之下，首先是CPU時間被完全占用，此外，更重要的是，中斷程序時間過長往往導(dǎo)致會錯過一次或多次中斷信號，表現(xiàn)就是測量值在實際值、實際值×2、實際值×3等之間跳動。實測中，最高頻率可以測到約400kHz。

該方法在低頻率(<100kHz)下有著很好的精度，在考慮到其它程序的情況下，建議在10kHz之下使用該方法。同時，可以參考以下的改進(jìn)程序減少CPU負(fù)載。

改進(jìn)方案

前述問題，限制頻率提高的主要因素是過長的中斷時間，一般應(yīng)用情景之下，還有其它程序部分的限制。所以需要進(jìn)行改進(jìn)。

方案一

1.使用2個通道，一個只測量上升沿，另一個只測量下降沿。這樣可以減少切換觸發(fā)邊沿的延遲，缺點是多用了一個IO口。

2.使用寄存器，簡化程序

之所以改用TIM2是因為TIM5的CH1(PA0)還是按鍵輸入引腳。本來想來這應(yīng)當(dāng)也沒什么，按鍵不按下不就是開路嘛。所以，當(dāng)使用別人的程序之前，請一定仔細(xì)查看電路圖。

這樣，最高頻率能夠達(dá)到約1.1MHz，是一個不小的進(jìn)步。但是，其根本問題，中斷太頻繁，仍然存在。

解決思路也是存在的。本質(zhì)上，實際只需要讀取CCR1和CCR2寄存器。而在內(nèi)存復(fù)制過程中，面對大數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)移時，會想到什么？

顯然，很容易想到——利用DMA。所以，筆者使用輸入捕獲事件觸發(fā)DMA來搬運寄存器而非觸發(fā)中斷即可，然后將這些數(shù)據(jù)存放在一個數(shù)組當(dāng)中并循環(huán)刷新。這樣，可以隨時來查看數(shù)據(jù)并計算出頻率。

方案二

1.可以設(shè)定僅有通道2進(jìn)行下降沿捕獲并觸發(fā)中斷，而通道1捕獲上升沿不觸發(fā)中斷。在中斷函數(shù)當(dāng)中，一次讀取CCR1和CCR2。這樣可以節(jié)省大量時間。

2.可以先進(jìn)行一次測量，根據(jù)測量值改變預(yù)分頻值PSC，從而提高精度

3.間隔采樣。例如每100ms采樣10ms.

這樣的改進(jìn)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⒆罡卟蓸宇l率增加到2M.但是頻率的進(jìn)一步提高仍然不可能。

因為這時的主要矛盾是中斷函數(shù)時間過長，導(dǎo)致CPU還在處理中斷的時候這一次周期就結(jié)束了，使得最終測量到的頻率為真實頻率的整數(shù)倍左右。示意圖如下：

結(jié) 語

外部中斷：編寫容易，通用性強。缺點是中斷進(jìn)入頻繁，誤差大。

PWM輸入：全硬件完成，CPU負(fù)載小，編寫容易。缺點是不穩(wěn)定，誤差大。

輸入捕獲：可達(dá)到約400kHz。低頻精度高，10kHz可達(dá)到0.01%以下，400kHz也有3%。缺點是中斷頻繁，無法測量高頻，幅值必須在3.3~5V之間。