使用STM32 HAL库实现PWM脉冲频率和占空比的输入捕获

随着ST公司推出了越来越多的新款芯片并没有配套的标准库，并且目前在各大平台没有前辈对TIM输入捕获将两个库同时进行讲解。因此本文以STM32为例，对STM32的标准库和HAL库输入捕获功能进行讲解。标准库使用STM32F407进行输入捕获测试，HAL库使用STM32G4进行输入捕获测试。STM32G4官方没有推出对应的标准库。如果是其它系列芯片，其配置思路和本文所说的大致相同。

输入捕获可以对输入的信号的上升沿，下降沿或者双边沿进行捕获，常用的有测量输入信号的脉宽和测量PWM输入信号的频率和占空比这两种。输入捕获的原理大概就是，当捕获到信号的跳变沿的时候，把计数器 CNT 的值锁存到捕获寄存器 CCR 中，把前后两次捕获到的 CCR 寄存器中的值相减，就可以算出脉宽或者频率。如果捕获的脉宽的时间长度超过捕获定时器的周期，就会发生溢出，就需要做额外的处理。因此配置TIM定时器输入捕获时，尽可能将TIM定时器的周期拉大。

如下图所示是STM32的官方参考手册，可以得知STM32的TIM定时器有两种模式都可以用于输入捕获，即TIM输入捕获模式、PWM输入模式。其中PWM输入模式是TIM输入捕获的一个特例，配置方法是基本相同的，但是多了几步其它的操作。且 PWM输入模式会采用两路通道进行采集信号，但是配置时，仅需配置一路主通道，TIM会自动设置另一路通道，这两路通道是极性相反的。

输入捕获一般以中断形式启动，在中断中对上升沿和下降沿进行处理，读取TIM定时器的脉冲捕捉通道的计数值，将一个周期的数据记录并通过公式计算处理后，即可得出输入信号的频率、占空比信息。如下所示为一个周期的PWM脉冲，如果需要测量其PWM频率+占空比，则需读取其一个周期内的信号起始上升沿，下降沿及最后一个上升沿信号。

周期：T = TH + TL

频率：F = 1 / T

占空比：D = TH / (TH + TL)

TIM输入捕获的流程配置思路：

配置总线时钟

配置GPIO端口引脚

配置TIM定时器时基

配置NVIC中断

配置IC输入捕获模式

如果只采集PMW脉冲的频率，那么只需要使用单通道采集上升沿(或下降沿)信号，就可以求得频率值。（两次高电平或两次低电平之间的时间值，就可以计算出PWM的频率）。如果不仅需要采集PWM频率，还要采集PWM的占空比，那么需要同时采集上升沿和下降沿信号。

采集PWM脉冲频率及占空比数据可以使用单通道采集，也可以使用双通道采集。本文讲解单通道采集PWM频率+占空比，即采集一个周期内的 2次上升沿+1次下降沿或2次下降沿+1次上升沿。

在将计数器counter period的值，也就是自动重装载值ARR拉满时（0~0xFFFF），修改配置预分频PSC的值可以调整定时器的定时时间t。

2、HAL库版TIM输入捕获

配置PA7为脉冲捕捉引脚，TIM3_CH2

在STM32CubeMX中配置步骤如下：

生成了代码工程代码后，在其回调函数中，进行读取PWM输入捕获计数值，以进行频率+占空比计算操作。

HAL库TIM中断回调函数：

volatile float TIM3CH2_Freq = 0.0;
volatile float TIM3CH2_Duty = 0.0;
volatile int capture_end_flag = 0;

volatile uint32_t high_val = 0;
volatile uint32_t low_val = 0;

//TIM单通道采集PWM频率+占空比
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{    
    static uint8_t capture_cnt = 1;    //电平捕捉计数
    
    if(htim->Instance == TIM3)        //判断是否由定时器3产生
    {
        if(htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_2)    //TIM3 通道2
        {    
            if(capture_end_flag == 0)
            {
                if(capture_cnt == 1)        //第一个上升沿
                {
                    capture_cnt = 2;
                    __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_2, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING); //设置成下降沿触发
                    __HAL_TIM_SetCounter(htim, 0);    //清空定时器计数值
                    high_val = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_2);    //由第一个上升沿设为起始位置
                    
                }else if(capture_cnt == 2)    //第一个下降沿
                {
                    capture_cnt = 3;
                    low_val = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_2);    //低电平起始位置
                    __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_2,TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING); //设置成上升沿触发
                    
                    
                }else if(capture_cnt == 3)    //第二个上升沿
                {
                    capture_cnt = 1;
                    high_val = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_2);
                      
                    //计算频率
                    TIM3CH2_Freq = (float)80000000 / 80 / (high_val+1);
                    //计算占空比
                    TIM3CH2_Duty = (float)low_val / (high_val+1);
                    capture_end_flag = 1;
                }
            }
        }
    }
}

HAL库主函数：

#include "main.h"
#include "stdio.h"
#include "adc.h"
#include "tim.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

void SystemClock_Config(void);

void main(void)
{
    HAL_Init();
    
    SystemClock_Config();      
    
    MX_USART1_UART_Init();
    MX_TIM3_Init();
    
    HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim3, TIM_CHANNEL_2);
    
    while (1)
    {
	    HAL_Delay(3000); 
	    if(capture_end_flag == 1)
	    {
		    //计算频率
		    //TIM3CH2_Freq = (float)80000000 / 80 / (high_val+1);
		    //计算占空比
		    //TIM3CH2_Duty = (float)(low_val+1) / (high_val+1);
		    //printf("high_val:%d\r\n",  high_val);
		    //printf("low_val:%d\r\n",  low_val);		
		    printf("捕获PWM频率:%.2f\r\n", TIM3CH2_Freq);
		    printf("捕获PWM占空比:%.2f\r\n", TIM3CH2_Duty);
		    capture_end_flag = 0;
	    }

      }
}

输出2000Hz,占空比为45%的PWM信号

HAL库版的TIM输入捕获到的信号数据

3、标准库版TIM输入捕获

配置PD15引脚,TIM4_CH4为输入捕获模式

标准库TIM配置及中断服务函数配置：

//TIM输入捕获配置
void Capture_Wave_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef     GPIO_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef     NVIC_InitStructure;
    TIM_ICInitTypeDef      TIM_ICInitStructure;    
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOD, ENABLE);    //PD15 TIM4_CH4
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =  GPIO_Pin_15;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN;
    GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStructure);
    
    GPIO_PinAFConfig(GPIOD, GPIO_PinSource15, GPIO_AF_TIM4);
    
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65535;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 84-1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseInitStructure);
    
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_4;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
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