STM32單片機的輸入捕獲與FFT測頻

一、硬件連接

1、電壓信號處理電路仿真

圖1.1.1 Proteus仿真圖(使用教程)

2、單片機連接

主控MCU：STM32F103ZET6(STM32的介紹)，LM293輸出連接在PB0上檢測電壓信號的頻率，如圖1.1.1與圖1.2.1所示。

圖1.2.1 原理圖截圖

圖1.2.2 管腳功能截圖

如圖1.2.2所示，注意其中的TIM3_CH2N是PWM捕獲比較輸出，TIM3_CH3才是輸入捕獲。

圖1.2.3 內部高級控制定時器框圖

二、程序部分

這里通過STM32輸入捕獲或FFT轉換兩種方式實現(xiàn)頻率的測量，在實際工程中都已實現(xiàn)。STM32輸入捕獲信號幅度小于2V時，單片機檢測不到跳變沿，需硬件對信號適當處理(如圖1.1.1)。PB0/ADC8也可用ADC讀信號電壓值，ADC值為0時進行記錄，再次為0就相當于經過了半個周期。計算兩次ADC為0的時間差，就可以計算出信號的頻率，這種方法不會受限于信號幅度的限制。

1、通過STM32輸入捕獲

下面的程序采集PB0口(圖1.2.1)的電壓信號，因頻率較低，且要求繼電器出口時間小于35mS，采用測周法計算頻率。給出主要部分定時器配置與定時器中斷程序。因上升沿示波器測試并不陡峭(圖1.1.1仿真圖也可看出)，故取一周波兩次下降沿。

注意：后期的處理程序必須捕獲到兩個下降沿的前提下，才能作相應的處理。采集程序未完成，此時處理會出錯。

圖2.1.1 示波器信號

1）定時器配置

void adc_TIM_Init(void){   TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; //定時器   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //端口   TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; //輸入捕獲      //初始化GPIO口  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空輸入模式   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;   GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);   GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);      //使能時鐘   RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE); //TIM3   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);      //初始化TIM3定時   TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);   TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 17; //1MHz計數(shù)脈沖 1uS   TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 65535;   TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0x0;   TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //向上計數(shù)   TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);   TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure);      //初始化TIM3 Channel3輸入捕獲IC(Input Capture)   TIM_ICInitStructure.TIM_Channel=TIM_Channel_3;   TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity=TIM_ICPolarity_Falling; //下降沿捕獲   TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection=TIM_ICSelection_DirectTI; //管腳與寄存器一一對應   TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1; //有下降沿就捕獲，不分頻   TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter=0x00; //不打開輸入捕獲濾波器   TIM_ICInit(TIM3,&TIM_ICInitStructure);   TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE); //允許定時中斷   TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_CC3,ENABLE); //允許CC3捕獲中斷   TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);}

-------------------------------- 2）定時溢出和輸入捕獲中斷處理

void TIM3_IRQHandler(void) //TIM3{   static u8 CapStatus=0;//捕獲狀態(tài)，CapStatus=0未捕獲到第1個下降沿，CapStatus=1捕獲到第1個下降沿   static u8 TIM3_CH3_Capture=0; //總的計數(shù)次數(shù)   u32 FrequencyTemp=0;      if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)) //TIM3定時溢出更新中斷   {      TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update); //清除中斷標志位      if(CapStatus)         TIM3_CH3_Capture++;   }      if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_CC3)) //RB0輸入捕獲中斷   {      TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_CC3); //清除中斷標志位      if(!CapStatus)      {         CapStatus=1;         TIM_SetCounter(TIM3,0); //計數(shù)器清零      }      else if(CapStatus) //已經捕獲到第1個下降沿      {         CapStatus=0;         FrequencyTemp=TIM_GetCapture3(TIM3)+TIM3_CH3_Capture*65536;//計算兩個下降沿總計數(shù)         TIM3_CH3_Capture=0; //溢出次數(shù)清零         TIM_SetCounter(TIM3,0); //計數(shù)器清零         FrequencyValue=400000000/FrequencyTemp;//計算頻率，比如5000，單位0.01Hz      }   }}

圖2.1.2 繼保頻率設置

圖2.1.2 繼保頻率設置

圖2.1.3 實際測量值

圖2.1.3 實際測量值

2、通過FFT實現(xiàn)

1）概述 下面是采集PC1口(圖1.2.1)的小通道電流信號，計算頻率，其固件具ST官方DSP庫實現(xiàn)FFT，測試固件移步：

FFT(具ST官方DSP庫實現(xiàn))

圖2.2.1 實際測量值

-------------------------------- 2）數(shù)據(jù)采集 使用STM32F103自帶的12位ADC進行數(shù)據(jù)采集，定時器觸發(fā)ADC采集，DMA搬運，定時器時間自行設置，采樣頻率已知。

-------------------------------- 3）功能介紹 通過FFT可以準確測量電壓值、電流值、有功功率、無功功率、頻率、諧波分量(比如顯示2～32次諧波)、相角(電壓與電流夾角)。 互感器二次值精確到小數(shù)點后2位無壓力，電流范圍大，硬件增加大小通道、程序分別采集；涌流二次諧波含量最多，故可實現(xiàn)二次諧波制動，

----------------- 已實現(xiàn)FFT的控制板：

圖2.2.2 主控板正面

圖2.2.3 主控板反面