PWM輸出和輸入捕獲
1、試驗目標
1.輸出2路PWM脈沖信號
2.捕獲1路PWM脈沖信號
本次試驗會使用到2個定時器，一個高級定時器用於脈沖捕獲，一個普通定時器用於PWM脈沖輸出。
2、准備材料
1. STM32F103C8
2. STM32CubeMX
2、STM32CubeMX配置
2.1時鍾樹
系統時鍾為72M，APB1 和APB2 的定時器時鍾都為72MHZ。
2.2 PWM輸出配置
PWM的輸出配置比較簡單，這里我們使用到了TIM2普通定時器控制輸出，具體參數如下圖。
在 Parameter Settings 頁配置預分頻系數為 72-1，計數周期(自動加載值)為 10000-1，定時器溢出頻率，即PWM的周期，就是 72MHz/(71+1)/(9999+1) = 100Hz
2.3 PWM輸入捕獲配置
PWM捕獲，本次試驗使用到了STM32F103C8的高級定時器TIM1。配置如下圖。
中斷配置勾線這里，因為我們需要使用中斷回調函數來計算頻率占空比。
2.4 配置中斷分組和中斷使能
2.5串口輸出
2.6生成工程
這里選擇分離C.h文件，IDE 根據自己的環境選擇，這里我使用的GUN編譯方式的IDE所以選擇了SW4SEM32。
以上CubeMX的PWM配置就完成了。
配置完畢后，生成工程打開。下面我們來分析代碼和如何使用。
3、代碼實現
3.1 tim.c
該代碼主要配置了Tim1 和Tim2 的相關配置，為什么要這么配置，在接下來的第4大點會詳細說明。這里主要了解 HAL_TIM_IC_CaptureCallback 捕獲中斷回調函數
這里函數主要處理計算占空比和頻率。
/**
******************************************************************************
* @file tim.c
* @brief This file provides code for the configuration
* of the TIM instances.
******************************************************************************
* @attention
*
* <h2><center>© Copyright (c) 2021 STMicroelectronics.
* All rights reserved.</center></h2>
*
* This software component is licensed by ST under BSD 3-Clause license,
* the "License"; You may not use this file except in compliance with the
* License. You may obtain a copy of the License at:
* opensource.org/licenses/BSD-3-Clause
*
******************************************************************************
*/
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "tim.h"
/* USER CODE BEGIN 0 */
/// 計算占空比時使用
__IO uint16_t IC2Value = 0;
__IO uint16_t IC1Value = 0;
__IO float DutyCycle = 0;
__IO float Frequency = 0;
/* USER CODE END 0 */
TIM_HandleTypeDef htim1; // 高級定時器捕獲PWM
TIM_HandleTypeDef htim2; // 普通定時器輸出PWM
/* TIM1 init function */
void MX_TIM1_Init(void)
{
TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
TIM_SlaveConfigTypeDef sSlaveConfig = {0};
TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC = {0};
htim1.Instance = TIM1;
htim1.Init.Prescaler = 72-1;
htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; /* 計數方式 上計數 */
htim1.Init.Period = 65535; /* 計數器更新上限值 */
htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; /* 采樣時鍾分頻 */
htim1.Init.RepetitionCounter = 0; /* 重裝值=0 */
htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE; /* 自動裝載值軟件使能 */
if (HAL_TIM_Base_Init(&htim1) != HAL_OK) /* 初始定時器 */
{
Error_Handler();
}
sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL; /* 內部時鍾源 */
if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim1, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
if (HAL_TIM_IC_Init(&htim1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
///選擇從模式: 復位模式
sSlaveConfig.SlaveMode = TIM_SLAVEMODE_RESET;
sSlaveConfig.InputTrigger = TIM_TS_TI1FP1; /* 選擇定時器輸入觸發: TI1FP1 */
sSlaveConfig.TriggerPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;
sSlaveConfig.TriggerFilter = 0;
if (HAL_TIM_SlaveConfigSynchro(&htim1, &sSlaveConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
///IC1捕獲 上升沿觸發 TI1FP1
sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;
sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
sConfigIC.ICFilter = 0;
if (HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim1, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
///IC2捕獲 下降沿捕獲 TI1FP2
sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING;
sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_INDIRECTTI;
if (HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim1, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}
/* TIM2 init function */
void MX_TIM2_Init(void)
{
TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
htim2.Instance = TIM2;
/** htim2.Init.Prescaler 分頻計算
* 定時器時鍾源TIMxCLK = 2 * PCLK1
* PCLK1 = HCLK / 2
* => TIMxCLK = HCLK/2 = SystemCoreClock / 2 *2=72MHz (APB1)
* 設定定時器頻率為=TIMxCLK/(TIM_Prescaler+1)=10KHz
* */
htim2.Init.Prescaler = 72-1;
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; /* 計數方式上升沿有效 */
htim2.Init.Period = 10000-1; /* 累計 TIM_Period個后產生一個更新或者中斷 當定時器從0計數到10000，即為10000次，為一個定時周期*/
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL; /* 內部時鍾源 */
if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
///PWM模式配置
sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1; /* 配置為PWM模式1*/
sConfigOC.Pulse = 5000; /* 默認占空比為50%*/
sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH; /* 當定時器計數值小於CCR1_Val時為高電平*/
sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK) /* 配置PWM通道*/
{
Error_Handler();
}
if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
HAL_TIM_MspPostInit(&htim2); /* 外置GPIO初始化 */
}
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef* tim_baseHandle)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
if(tim_baseHandle->Instance==TIM1)
{
/* USER CODE BEGIN TIM1_MspInit 0 */
/* USER CODE END TIM1_MspInit 0 */
/* TIM1 clock enable */
__HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE(); /*定時器時鍾使能*/
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); /*GPIO時鍾使能*/
/**TIM1 GPIO Configuration
PA8 ------> TIM1_CH1
*/
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8; /* 36腳的F103 不能改變引腳編號*/
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; /* 輸入模式*/
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 無上下拉*/
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
/* TIM1 interrupt Init */
HAL_NVIC_SetPriority(TIM1_CC_IRQn, 0, 0); /* 配置中斷分組*/
HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM1_CC_IRQn); /* 使能中斷*/
/* USER CODE BEGIN TIM1_MspInit 1 */
/* USER CODE END TIM1_MspInit 1 */
}
else if(tim_baseHandle->Instance==TIM2)
{
/* USER CODE BEGIN TIM2_MspInit 0 */
/* USER CODE END TIM2_MspInit 0 */
/* TIM2 clock enable */
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
/* USER CODE BEGIN TIM2_MspInit 1 */
/* USER CODE END TIM2_MspInit 1 */
}
}
void HAL_TIM_MspPostInit(TIM_HandleTypeDef* timHandle)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
if(timHandle->Instance==TIM2)
{
/* USER CODE BEGIN TIM2_MspPostInit 0 */
/* USER CODE END TIM2_MspPostInit 0 */
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
/**TIM2 GPIO Configuration
PA0-WKUP ------> TIM2_CH1
PA1 ------> TIM2_CH2
*/
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1; /* 這里定義了2路PMW輸出 用PA0 和PA1*/
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
/* USER CODE BEGIN TIM2_MspPostInit 1 */
/* USER CODE END TIM2_MspPostInit 1 */
}
}
void HAL_TIM_Base_MspDeInit(TIM_HandleTypeDef* tim_baseHandle)
{
if(tim_baseHandle->Instance==TIM1)
{
/* USER CODE BEGIN TIM1_MspDeInit 0 */
/* USER CODE END TIM1_MspDeInit 0 */
/* Peripheral clock disable */
__HAL_RCC_TIM1_CLK_DISABLE();
/**TIM1 GPIO Configuration
PA8 ------> TIM1_CH1
*/
HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_8);
/* TIM1 interrupt Deinit */
HAL_NVIC_DisableIRQ(TIM1_CC_IRQn);
/* USER CODE BEGIN TIM1_MspDeInit 1 */
/* USER CODE END TIM1_MspDeInit 1 */
}
else if(tim_baseHandle->Instance==TIM2)
{
/* USER CODE BEGIN TIM2_MspDeInit 0 */
/* USER CODE END TIM2_MspDeInit 0 */
/* Peripheral clock disable */
__HAL_RCC_TIM2_CLK_DISABLE();
/* USER CODE BEGIN TIM2_MspDeInit 1 */
/* USER CODE END TIM2_MspDeInit 1 */
}
}
/* USER CODE BEGIN 1 */
/**
* @brief Conversion complete callback in non blocking mode 捕獲回調函數
* @param htim : hadc handle
* @retval None
*/
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
{
/* 獲取輸入捕獲值 */
IC1Value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim1,TIM_CHANNEL_1);
IC2Value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim1,TIM_CHANNEL_2);
if (IC1Value != 0)
{
/* 占空比計算 */
DutyCycle = (float)((IC2Value+1) * 100) / (IC1Value+1);
/* 頻率計算 */
Frequency = 72000000/72/(float)(IC1Value+1);
}
else
{
DutyCycle = 0;
Frequency = 0;
}
}
}
/* USER CODE END 1 */
/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/
3.2 main.c
用於計算的變量
//計算占空比時的全局表變量 extern __IO uint16_t IC2Value; extern __IO uint16_t IC1Value; extern __IO float DutyCycle; extern __IO float Frequency;
使能和輸出PWM
/// 使能捕獲/比較2中斷請求
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim1,TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim1,TIM_CHANNEL_2);
/// 開始輸出PWM
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_2);
打印調試輸出
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
/* USER CODE BEGIN 3 */
printSwo("IC1Value =",IC1Value,LINE_FEED_EN);
printSwo("IC2Value =",IC2Value,LINE_FEED_EN);
printSwo("占空比:",DutyCycle,LINE_FEED_EN);
printSwo("頻率:",Frequency,LINE_FEED_EN);
HAL_Delay(500);
}
3.3 輸出結果
短接任意一路輸出 PA0與PA8 PWM輸出與捕獲，或 PA1與PA8 PWM輸出與捕獲。
4、分析總結
4.1輸入捕獲相關硬件信號知識
脈沖信號從外部進來需要經過6個步驟。功能圖如下圖所示。
第1；確認通道；
脈沖進來時需要確定是從哪個定時器的通道進來的，通常這個通道的叫法為TI1/2/3/4。這里我選擇了高級定時器1的TI1 和TI2，
對應的引腳是默認引腳是PA8 輸入捕獲，F103C8支持重映像，即不能使用其它引腳代替。
第2；濾波器與邊沿檢測器;
信號進來后為了避免干擾，就需要進行濾波。當前一個高電平信號過來，假設采樣速度為1M的速度進行計算，如果濾波系數設置為4，
那么高電平信號需要維持連續維持4us的高電平，才計數為一個高電平。邊沿檢測器用來設置信號在捕獲的時候是什么邊沿有效，可以
是上升沿，下降沿，或者是雙邊沿。
第3；捕獲通道；
是指圖中的IC1/2/3/4，每個捕獲通道都有相對應的捕獲寄存器CCR1/2/3/4，當發生捕獲的時候，計數器CNT 的值就會被鎖存到捕
獲寄存器中。
第4；預分頻；
捕獲的信號會經過一個預分頻器，比如2次上升沿算為一次計數。本次試驗設定為0，即不分頻。
第5；捕獲/比較寄存器；
經過預分頻器的信號ICxPS 是最終被捕獲的信號，當發生捕獲時（第一次），計數器CNT 的值會被鎖存到捕獲寄存器CCR 中，還會產生CCxI 中斷，
相應的中斷位CCxIF（在SR 寄存器中）會被置位，通過軟件或者讀取CCR 中的值可以將CCxIF 清0。如果發生第二次捕獲（即重復捕獲：CCR 寄存
器中已捕獲到計數器值且 CCxIF 標志已置 1），則捕獲溢出標志位CCxOF（在SR 寄存器中）會被置位，CCxOF 只能通過軟件清零。
輸出比較就是通過定時器的外部引腳對外輸出控制信號，有凍結、將通道X（x=1,2,3,4）設置為匹配時輸出有效電平、將通道X 設置為匹配時輸出無
效電平、翻轉、強制變為無效電平、強制變為有效電平、PWM1 和PWM2 這八種模式。電機控制很常用，這里不展開討論。
4.2 PWM輸入模式
大概了解上述小點后，這里說明我們本次測試使用到的PWM輸入模式，它是最便捷的測量脈寬和頻率的方法。當使用PWM 輸入模式的時候，因為一個輸入通道
(TIx)會占用兩個捕獲通道(ICx)，所以一個定時器在使用PWM輸入的時候最多只能使用兩個輸入通道(TIx)。本次試驗就是使用TIM1的CH1 和CH2。
工作原理是這樣的：
PWM 信號由輸入通道TI1 進入，因為是PWM 輸入模式的緣故，信號會被分為兩路，一路是TI1FP1，另外一路是TI2FP2。其中一路是周期，另一路是占空比，
具體哪一路信號對應周期還是占空比，得從程序上設置哪一路信號作為觸發輸入，作為觸發輸入的哪一路信號對應的就是周期，另一路就是對應占空比。作為觸發
輸入的那一路信號還需要設置極性，是上升沿還是下降沿捕獲，一旦設置好觸發輸入的極性，另外一路硬件就會自動配置為相反的極性捕獲，無需軟件配置。一句
話概括就是：選定輸入通道，確定觸發信號，然后設置觸發信號的極性即可，因為是PWM 輸入的緣故，另一路信號則由硬件配置，無需軟件配置。
當使用PWM 輸入模式的時候必須將從模式控制器配置為復位模式（配置寄存器SMCR 的位SMS[2:0]來實現），即當我們啟動觸發信號開始進行捕獲的時候，
同時把計數器CNT 復位清零。所以我們在STM32CubeMX中要勾選為復位模式。下圖參考手冊的時序圖
4.3 PWM輸出模式
PWM 輸出就是對外輸出脈寬（即占空比）可調的方波信號，信號頻率由自動重裝寄存器ARR 的值決定，占空比由比較寄存器CCR 的值決定。
PWM 模式分為兩種，PWM1 和PWM2。下圖的表格展示區別。
本次試驗使用的 PWM1 模式遞增計數模式，計數器從0 計數到自動重載值（TIMx_ARR 寄存器的內容），然后重新從0 開始計數並生成計數器上溢事件。
回到2.2小點的PWM配置圖
配置預分頻系數為 72-1，計數周期(自動加載值)為 10000-1，定時器溢出頻率，即PWM的周期，就是
72MHz/(71+1)/(9999+1) = 100Hz
輸出頻率：
arr = 計數器值 psc = 預分頻值
Fpwm =Tclk / ((arr+1)*(psc+1))(單位：Hz)
輸出占空比：
duty circle = TIMx->CCRx / arr(單位：%)
TIMx->CCRx 用戶設定值
比如: 定時器頻率Tclk = 72Mhz arr=10000 psc=71 那么PWM頻率就是720000/10000/72= 100Hz
arr=10000, TIMx->CCRx=5000 則pwm的占空比為50%
CCRx的值影響占空比，arr的值影響頻率
參考資料：STM32中文參考手冊V10
【野火】《STM32 HAL 庫開發實戰指南—基於F103指南者》