深入学习嵌入式系统中的PWM和输入捕获技术（下）

输入捕获

前言

上一篇介绍了通用定时器的输出比较部分，这一篇再来介绍一下输入捕获的相关内容。

输入捕获的概述

输入捕获，见名知意，就用来对输入信号进行捕获的，说到捕获输入信号，之前介绍过一个叫做外部中断的片上外设，它的作用也是捕获输入；它们的不同在于，外部中断捕获的只是边沿，而定时器的输入捕获，捕获的是信号的时间信息，可以用来测试脉冲宽度、高电平时间、低电平时间等，还可以利用这个输入捕获的功能来获取一些模块采集的数据，典型代表就是HC-SR04超声波模块。
老规矩还是看看AI对于输入捕获的简介：

上面提到的四个部分都是在配置过程中需要进行编程来实现的，
输入捕获：捕获输入到芯片中的脉冲宽度，捕获的是单个脉冲的宽度
捕获的原理：通过边沿触发捕获
可以通过计算得到：上升沿和下降之间的时间
输出比较：调整脉冲宽度
输入捕获：计算脉冲宽度 捕获一个脉冲的有效时间

框图

对输入捕获有了一个大致的概念后，来看看框图，简易版的框图再上上篇中提到过，那个还看不出具体的配置流程，所以这里再将详细的框图做个分析，和输出比较一样，输入捕获部分的详细框图也很复杂，具体的如下图所示：

这里还是将框图拆分开了看。

输入通道部分

首先来看框图的前半段，输入信号进来后，第一个需要经过的就是数字滤波器，如下图红框中的位置。

该滤波器是通过TIMx_CCMR1的ICF[3:0]位控制的，功能是“每N个事件视为一个有效边沿”，举个栗子来说就是，假设编程了这个N为4，而我们检测的高电平有效，那么就需要四个高电平才会生成一次有效边沿。
具体的控制寄存器描述如下：

需要注意的是，这里的频率分为了两部分，一部分是fck_INT也就是初始化的时钟，另一部分是fDTS，这里的f都是频率的意思，是对应的周期分之一；这里的fdts与fck_int的关系取决于TIMx 控制寄存器 1 (TIMx_CR1)的第八第九位的配置，这里配置的是周期的关系。t=1/f.

经过数字滤波器后，信号需要经过一个边沿计测器，检测对应的上升沿还是下降沿，注意上方或门以及后面的一个向上的箭头都是到从模式控制器的，与输入捕获无关，所以可以忽略。

进一步简化后如下图所示，通道1的输入信号经过边沿检测器后，会有一个数据选择器，这个选择器的控制寄存器是CC1P/CC1NP。

对应的是TIMx_CCER寄存器的第一位与第三位，这里需要特别注意，虽然也是两位进行配合，来控制此处的是上升沿有效、下降沿有效还是双边沿都有效，但是是间隔开的两位，位2是不做配置的，在编写代码的时候需要特别小心。

然后就是后面橙色框内的大的数据选择器，这个选择器是用来选输入信号的，一共三个输入，根据上上篇的简略框图，我们知道这三个输入分别是来自通道一的输入信号、来自通道二的输入信号，以及从模式控制器来的信号；此时配置的是输入捕获，而且为了避免交叉使用通道导致配置出错，后两个输入信号在此处是不考虑的，可以直接不看。也就是说，在配置过程中，需要将TIMx_CCMR1的CC1s的两位配置为“01”——选择通道一作为输入。

最后就是蓝色框内的分频器了，这个分频器的作用于前面的数字滤波器的效果类似，假设配置为2分频，则需要有两个对应事件产生才会生成一个有效边沿。一般都配置为了不分频，检测到一个边沿就进行捕获。他的控制寄存器对应的是TIMx_CCMR1的IC1PSC的两位：

最后还有一个控制器，TIMx_CCER的CC1E控制位，这个想必大家也都猜到了，是使能位的意思，细心的同学可能发现了，上一篇的PWM输出，在输出通道最后也是这个CC1E位做的使能，其实他们使用一个寄存器，只是在不同模式中有着不同的含义。

比较捕获寄存器与事件生成

在输入捕获中，除了上面的通道配置以外还有两个需要配置的，如下图，第一个框内CCR1比较捕获寄存器需要写入对应的比较值，这与PWM模式下的CCR1的写法其实一样。

还有一个是CC1G，这个对应的是TIMx 事件生成寄存器 (TIMx_EGR)的第1位，这里后面是个或门，由于CC1E和IC1PS已经配置了，上面的那个输入是真，所以这一位其实不配置也可以。

至于时基部分，与之前的一样，所以在此就不做赘述了，接下来总结一下具体使用到的寄存器有哪些。

寄存器

1.TIMx 控制寄存器 1 (TIMx_CR1):
写法：TIMx->CR1
位 9:8 CKD：时钟分频 (Clock division)
和滤波器的采样频率有关

2.TIMx 从模式控制寄存器 (TIMx_SMCR)
写法：TIMx->SMCR
时钟源选择

3.TIMx DMA/中断使能寄存器 (TIMx_DIER)
写法：TIMx->DIER
配置更新中断
配置捕获中断

4.TIMx 事件生成寄存器 (TIMx_EGR)
写法：TIMx->EGR
人为生成更新事件

5.TIMx 捕获/比较模式寄存器 1 (TIMx_CCMR1)
写法：TIMx->CCMR1
位 1:0 CC1S：捕获/比较 1 选择 (Capture/Compare 1 selection)
选择输入还是输出
选择输入中的第一个信号源

位 3:2 IC1PSC：输入捕获 1 预分频器 (Input capture 1 prescaler)
配置无预分频

位 7:4 IC1F：输入捕获 1 滤波器 (Input capture 1 filter)
选择对应采样频率 1111

6.TIMx 捕获/比较使能寄存器 (TIMx_CCER)
写法：TIMx->CCER
位 0 CC1E：捕获/比较 1 输出使能 (Capture/Compare 1 output enable)。
使能位

位 1 CC1P：捕获/比较 1 输出极性 (Capture/Compare 1 output Polarity)。
位 3 CC1NP：捕获/比较 1 输出极性 (Capture/Compare 1 output Polarity)。
可读可写
00：上升沿触发
01：下降沿触发
11：双边触发 —– 通过进入中断的次数来判断

编程思路

根据上面的框图解析以及寄存器介绍，我们可以大致总结出配置为输入捕获是时的代码思路，
伪代码：

输入捕获初始化函数
{
  //打开时钟  GPIO  TIM5
  
  GPIO控制器配置
  //GPIO模式
  复用功能寄存器

  定时器的时基单元
  //更新禁止
  //更新请求源
  //关闭单脉冲
  //方向
  //重装载值得影子寄存器
  //分频    4分频
  //选择时钟源
  //预分频器配置
  //重装载值配置
  //产生更新事件
  
  定时器得输入部分
  //选择输入模式  TI1
  //输入捕获分频器 无分频器
  //采样频率配置   1111
  //边沿触发
  //使能捕获

  中断配置
  //更新中断使能
  //捕获中断使能
  //NVIC控制器
  //计数器使能
}

而对应的功能则需要到对应的中断服务函数去进行，中断服务函数的思路如下：

中断服务函数
{
    判断位更新中断
    {
        N++;//记录产生更新事件的次数，依次来计算时间
    }
    判断为捕获中断
    {
       判断为上升沿捕获   
       {
          N=0;
          或者这时刻得CCR得值
          切换下降沿捕获  //flag=1
       }




       判断为下降沿捕获 
       {
          直接计算整个时间
          切换回上升沿捕获 下一次进来还是先捕获上升沿
       }
    }
}

实际需求

上面总结了输入捕获的编程流程，这里借助两个小需求，来具体编程实现对应的功能。
需求1：
检测开发板上Key_UP的按下时间，并通过串口输出。
需求分析：
首先，要检测按键按下的时间，肯定需要使用到上面的输入捕获功能了，具体怎么实现呢，第一步查看原理图找到KEY_UP按下时的输入信号是什么样子的。

如上图所示，在按键输入的时候使用过这个按键，当时是配置为了下拉，使得空闲状态是低电平，按下按键会产生一个脉冲，我们需要捕获时间长度的就是这个高脉冲的时间。具体的捕获过程应该是：

1. 捕获按下时的高电平，并记录此时的计数值；
2. 记录高电平期间产生的更新事件的个数（也就是计数器从0计数到重装载值的循环次数）；
3. 记录松手时的计数器的计数值，
4. 计算时间：更新事件的次数X重装载值+松手时的计数器值-按下时的计数器值

举个栗子：假设定时器的分频系数是84分频，每秒会计数84M/84=1 000 000次，重装载数是1000；也就是每1ms计数1000次，每一次计数时间等于1us;
此时按键按下时对应的计数值是800，从按下按键到松手期间一共产生了6个更新事件，松手时的计数值为400；则此次按键按下的时间为：
TIME = 6*1000+400-800=5600us=5.6ms

配置流程

分析清楚了捕获过程后，我们来看看具体的配置流程，由于定时器是片上外设，捕获按键按下时常需要有GPIO的参与，所以对应的GPIO需要配置为复用模式。前面提到过，通用定时器至少都有两个通道，怎么知道KEY_UP具体的定时器和通道是哪个呢，这就有需要使用到引脚复用表了。通过查询原理图，或者根据经验，KEY_UP的引脚应该是GPIOA0；在引脚复用表中可以看出它对应的是TIM5的CH1。

打开对应的时钟

根据以前的配置经验，第一步应该打开对应的片上外设的时钟，GPIOA的对应的时钟线是AHB1；TIM5对应的时钟线是APB1，然后到对应的编程手册找到对应位，写入1即可，具体的配置请看后面的代码。

配置GPIO为复用模式

打开时钟后，就需要将GPIOA的0号管脚配置为复用模式，且要对照复用表映射到对应的功能，TIM5的CH1，GPIOA0对应的应该是低位的复用功能寄存器的0-3四位，写入AF2对应的0010即可配置为复用TIM5的通道1。

定时器的时基部分配置

紧接着就是定时器的时基部分了，这个也是很熟悉的了，前面配置过多次，需要配置CR1、SMCR、预分频和重装载而且还需要手动操作EGR产生一次更新事件，让数据写入影子寄存器已生效。

定时器输入通道部分配置

再这后就是输入通道的配置了，具体的配置流程参考上面的框图流程，主要配置CCMR1、CCER。

定时器中断配置

这需要使用到两个中断，一个是更新事件的中断，用来记录脉冲的期间内的更新事件个数，还有一个是捕获中断，利用捕获中断来获取对应边沿的计数器值。
再就是中断源使能，优先级配置，最后的最后，一定不要忘记使能计数器。

代码：

/*******************************
函数名：Time5_Interrupt
函数功能：Time5_上升沿捕获
函数形参：u32 arr   u16 psc预分频系数
函数返回值：void
备注：
预分频系数  重装载值
********************************/
void Time5_Capture(u16 psc, u32 arr)
{
/*-----------开始时钟使能-----------------------------------------------------------------*/
	RCC->AHB1ENR |=(1<<0);//开启GPIOA对应的时钟
	RCC->APB1ENR |=(1<<3);//开启TIM5对应的时钟
/*-----------初始化GPIO-----------------------------------------------------------------*/
	GPIOA->MODER &=~(3<<0);
	GPIOA->MODER |=(1<<1);//GPIOA为复用模式
	
	GPIOA->AFR[0] &=~(0xf<<0);
	GPIOA->AFR[0] |=(0X2<<0);//GPIOA复用为TIM5
/*-----------时基配置-----------------------------------------------------------------*/
	TIM5->CR1 &=~(0Xf<<1);	//更新禁止，更新请求源，关闭单脉冲，向上计数
	TIM5->CR1 |=(1<<7);     //重装载影子寄存器
	TIM5->CR1 &=~(3<<8);    //不分频
//	TIM5->CR1 |=(2<<8);			//四分频
	
	TIM5->SMCR &=~(7<<0);   //选择内部时钟
	TIM5->PSC = psc-1;			//预分频值
	TIM5->ARR = arr-1;      //重装载值
	TIM5->EGR |= (1<<0);//更新事件，写入预分频和重装载值
/*-----------定时器输入部分-----------------------------------------------------------------*/	
	TIM5->CCMR1 &=~(0X3<<0);//
	TIM5->CCMR1 |=(1<<0);//模式选择输入 TI1线
	TIM5->CCMR1 &=~(3<<2);//输入捕获无预分频
	TIM5->CCMR1 &=~(0XF<<4);
	TIM5->CCMR1 |=(0xf<<4);//采样频率为最低1111
	TIM5->CCER &=~(1<<1);//上升沿触发
	TIM5->CCER &=~(1<<3);//上升沿触发
	TIM5->CCER |=(1<<0);//捕获使能
/*-----------中断配置-----------------------------------------------------------------*/	
	TIM5->DIER |=(1<<0);//更新中断使能
	TIM5->DIER |=(1<<1);//捕获中断使能
	
/*-----------NVIC配置-----------------------------------------------------------------*/				
	u32 pri=NVIC_EncodePriority(7-2,2,3);
	NVIC_SetPriority(TIM5_IRQn,pri);
	NVIC_EnableIRQ(TIM5_IRQn);
	
	TIM5->CR1 |=(1<<0);//使能计数器
}

实现功能的中断服务函数：

/*******************************
函数名：TIM5_IRQHandler
函数功能：定时器5中断服务函数函数
函数形参：无
函数返回值：void
备注：
********************************/
void TIM5_IRQHandler(void)
{
	static u32 cnt;
	static u32 cnt_data;
	static u32 timer=0;
	if(TIM5->SR & (1<<0))//更新中断
	{
		TIM5->SR &=~(1<<0);
		cnt++;//更新中断的次数
	}
	if(TIM5->SR &(1<<1))//捕获中断
	{
		TIM5->SR &=~(1<<1);
		if(!(TIM5->CCER&(1<<1)))
		{
			cnt=0;//让更新中断的次数清零
			cnt_data = TIM5->CCR1;//获取当前值
			TIM5->CCER |=(1<<1);//下降升沿触发
		}
		else if(TIM5->CCER & (1<<1))
		{
			timer =cnt*1000-cnt_data+TIM5->CCR1;
			if(timer/1000>30)//将抖动的误触发舍弃
			{
				printf("按键按下时间为%d\r\n",timer/1000);//单位是MS
			}
			TIM5->CCER &=~(1<<1);//上降升沿触发
		}
	}
} 

运行效果：

需求2

利用HC-SR04实现超声波测距。
需求分析：
这里使用到了超声波模块，首先一定要看看他对应的手册，如下图，简介里面我们需要注意的描述，一个是测量周期，最低最低50ms，也就是说，采集一次后最低要给它50ms的休息时间才可以开始下一次采集，然后就是说它支持UART、IIC、单总线的协议，但是需要修改对应的电阻，这里我们不改，就用它最原始的通信方式。

测试时序图

在手册的后面有一个GPIO模式的时序图，这里就告诉了我们测距流程，中间红色框的那一条线是模块内部的，不需要我们操作，也就是说，要驱动这个模块，我们需要使用到的就是两个脚一个触发信号一个输出响应信号。

注意距离的计算是根据模块输出的高电平脉冲信号的时间T来计算的，说白了就是采集超声波模块输出的高电平时间，利用这个时间与音速的关系就可计算出对应的距离。高电平时间的采集与上一个需求中的按键按下时间是一样的。
只是在这个模块需要我们提供一个触发信号后才会输出对应的脉冲，刚刚的按键是按下就会有对应的脉冲。

选择GPIO

这个模块由于是外接，所以可以由我们自己选择管脚来实现，其中需要一个GPIO配置为通用推挽输出为Trlg提供触发信号；还需要一个具有定时器捕获通道GPIO来采集超声波模块Echo脉冲输出脚的脉冲持续的时间。
还是打开引脚复用表进行查询，

这里笔者选用了PD12作为输入捕获，为了方便，选择了PD13作为脉冲触发信号。
具体的配置代码如下：

#include "Ultrasonic.h"
/*******************************************
*函数名    :Ult_Init
*函数功能  :超声波初始化函数
*函数参数  :void 
*函数返回值:无
*函数描述  :
PD12-------检测电平时间
PD13-------发送起始信号通用模式
*********************************************/
void Ult_Init(void)
{
	Time4_Capture(84,1000);//定时器4的输入捕获(用于超声波检测)
	
	GPIOD->MODER &=~(3<<26);
	GPIOD->MODER |=(1<<26);//GPIOD13为通用模式
	
	/*端口输出推挽模式*/
	GPIOD->OTYPER &= ~(1<<13);
	/*端口输出速度2MHz*/
	GPIOD->OSPEEDR &= ~(1<<26);//清零OSPEEDR
	GPIOD->PUPDR   &= ~(1<<26);//默认无上下拉
	/* 端口输出寄存器*/
	GPIOD->ODR &=~(1<<13);//置零拉低
}

/*******************************
函数名：Time4_Interrupt
函数功能：Time4_上升沿捕获
函数形参：u16 arr   u16 psc预分频系数
函数返回值：void
备注：
预分频系数  重装载值
********************************/
void Time4_Capture(u16 psc, u16 arr)
{
/*-----------开始时钟使能-----------------------------------------------------------------*/
	RCC->AHB1ENR |=(1<<3);//开启GPIOD对应的时钟
	RCC->APB1ENR |=(1<<2);//开启TIM4对应的时钟
/*-----------初始化GPIO-----------------------------------------------------------------*/
	
	GPIOD->MODER &=~(3<<24);
	GPIOD->MODER |=(1<<25);//GPIOD12为复用模式
	
	GPIOD->AFR[1] &=~(0xf<<16);
	GPIOD->AFR[1] |=(0X2<<16);//GPIOD12复用为TIM4
	
/*-----------时基配置-----------------------------------------------------------------*/
	TIM4->CR1 &=~(0Xf<<1);	//更新禁止，更新请求源，关闭单脉冲，向上计数
	TIM4->CR1 |=(1<<7);     //重装载影子寄存器
	TIM4->CR1 &=~(3<<8);    //不分频
//	TIM5->CR1 |=(2<<8);			//四分频
	
	TIM4->SMCR &=~(7<<0);   //选择内部时钟
	TIM4->PSC = psc-1;			//预分频值
	TIM4->ARR = arr-1;      //重装载值
	TIM4->EGR |= (1<<0);//更新事件，写入预分频和重装载值
/*-----------定时器输入部分-----------------------------------------------------------------*/	
	TIM4->CCMR1 &=~(0X3<<0);//
	TIM4->CCMR1 |=(1<<0);//模式选择输入 TI1线
	TIM4->CCMR1 &=~(3<<2);//输入捕获无预分频
	TIM4->CCMR1 &=~(0XF<<4);
	TIM4->CCMR1 |=(0xf<<4);//采样频率为最低1111  84 000 000/32/8
	TIM4->CCER &=~ (1<<1);//上升沿触发
	TIM4->CCER &=~ (1<<3);//上升沿触发
	TIM4->CCER |=(1<<0);//捕获使能
/*-----------中断配置-----------------------------------------------------------------*/	
	TIM4->DIER |=(1<<0);//更新中断使能
	TIM4->DIER |=(1<<1);//捕获中断使能
	
/*-----------NVIC配置-----------------------------------------------------------------*/				
	u32 pri=NVIC_EncodePriority(7-2,2,3);
	NVIC_SetPriority(TIM4_IRQn,pri);
	NVIC_EnableIRQ(TIM4_IRQn);
	
	TIM4->CR1 |=(1<<0);//使能计数器
}

//头文件
#ifndef _ULTRASONIC_H
#define _ULTRASONIC_H
#include "stm32f4xx.h"
#define TRIG_OFF GPIOD->ODR &=~(1<<13);//置零拉低对应端口
#define TRIG_ON GPIOD->ODR |= (1<<13);//置1拉高对应端口
void Ult_Init(void);
void Time4_Capture(u16 psc, u16 arr);

#endif

主函数中产生触发信号：每隔50ms产生一次触发信号。

中断服务函数实现功能：

/*******************************
函数名：TIM4_IRQHandler
函数功能：定时器4中断服务函数函数
函数形参：无
函数返回值：void
备注：
********************************/
void TIM4_IRQHandler(void)
{
	static u32 cnt;
	static u32 cnt_data;
	static float timer=0;
	if(TIM4->SR & (1<<0))//更新中断
	{
		TIM4->SR &=~(1<<0);
		cnt++;//更新中断的次数
	}
	if(TIM4->SR &(1<<1))//捕获中断
	{
		TIM4->SR &=~(1<<1);
		if(!(TIM4->CCER&(1<<1)))
		{
			cnt=0;//让更新中断的次数清零
			cnt_data = TIM4->CCR1;//获取当前值
			TIM4->CCER |=(1<<1);//下降沿触发
		}
		else if(TIM4->CCER & (1<<1))
		{
			timer =cnt*1000-cnt_data+TIM4->CCR1;
			printf("物体的距离为：%.2fcm\r\n",timer/58.0f);
			TIM4->CCER &=~(1<<1);//上升沿触发
		}
	}
}

实现效果：

总结

关于定时器输入捕获与输出比较的介绍就记录到这，从这开始，配置都会比之前的复杂，写起来也会比较麻烦，所以更新速度会变慢，大家谅解，然后就是文中如有不足欢迎批评指正。

M4系列目录

1.嵌入式学习笔记——概述
2.嵌入式学习笔记——基于Cortex-M的单片机介绍
3.嵌入式学习笔记——STM32单片机开发前的准备
4.嵌入式学习笔记——STM32硬件基础知识
5.嵌入式学习笔记——认识STM32的 GPIO口
6.嵌入式学习笔记——使用寄存器编程操作GPIO
7.嵌入式学习笔记——寄存器实现控制LED小灯
8.嵌入式学习笔记——使用寄存器编程实现按键输入功能
9.嵌入式学习笔记——STM32的USART通信概述
10.嵌入式学习笔记——STM32的USART相关寄存器介绍及其配置
11.嵌入式学习笔记——STM32的USART收发字符串及串口中断
12.嵌入式学习笔记——STM32的中断控制体系
13.嵌入式学习笔记——STM32寄存器编程实现外部中断
14.嵌入式学习笔记——STM32的时钟树
15.嵌入式学习笔记——SysTick(系统滴答)
16.嵌入式学习笔记——M4的基本定时器
17.嵌入式学习笔记——通用定时器
18.嵌入式学习笔记——PWM与输入捕获（上）
19.嵌入式学习笔记——PWM与输入捕获（下）
20.嵌入式学习笔记——ADC模数转换器
21.嵌入式学习笔记——DMA
22.嵌入式学习笔记——SPI通信
23.嵌入式学习笔记——SPI通信的应用
24嵌入式学习笔记——IIC通信