2.16 TIM输入捕获（定时器第三部分）

输入捕获简介

IC（Input Capture）输入捕获 。

4个输入捕获和输出比较通道，共用4个CCR寄存器，另外输入捕获和输出比较通道的CH1到CH4，4个通道的引脚也是共用的。所以对于同一个定时器，输入捕获和输出比较只能同时使用其中的一个。

输入捕获模式下，当通道输入引脚出现指定电平跳变时，当前CNT的值将被锁存到CCR中(锁存的意思就是把当前的CNT的值读出来，写入到CCR)，可用于测量PWM波形的频率、占空比、脉冲间隔(频率)、电平持续时间(占空比)等参数。

每个高级定时器和通用定时器都拥有4个输入捕获通道，可配置为PWMI模式，同时测量频率和占空比。

可配合主从触发模式，实现硬件全自动测量。

PWMI模式和主从触发模式，设计的非常巧妙，把这两个功能结合起来，测量频率占空比就是硬件全自动执行，软件不需要进行任何干预，也不需要进中断，需要测量的时候，直接读取CCR寄存器就行了，使用非常方便，而且极大地减轻了软件的压力。

频率测量

这是一个频率逐渐降低的方波波形，越往左频率越高，越往右，频率越低。这里信号都是只有高低电平的数字信号，对于STM32测频率而言，他也是只能测量数字信号。如果你需要测量一个正弦波，那还需要搭建一个信号预处理电路，最简单的就是用运放搭建一个比较器，把正弦波转换为数字信号，再输入给STM32就行了。如果你测量的信号电压非常高，那还要考虑一下隔离的问题，比如用一些隔离放大器、电压互感器等元件来隔离高压端和低压端，保证电路的安全。总之，经过处理最终输入给STM32的信号，必须是这样的高低电平信号(高电平3.3V，低电平0V)。

怎样测量这样的高低电平信号呢？

首先，为了测量频率，我们有两种方法可以选择：

测频法

在闸门时间T内，对上升沿(下降沿)计次，计次得到N，则频率Fx=N/T 。

比如，我们设置一个闸门时间T=1s，在1s的时间内，对上升沿计次，每一个上升沿就相当于一个周期。计了10个上升沿，就相当于频率是10Hz。

测周法

两个上升沿内，以标准频率fc计次，得到N，则频率Fx=fc/N。

测周法的基本原理就是，周期的倒数就是频率，在一个周期之内，计了N个数，标准频率的fc的周期是1/fc，所以测量的频率的周期是N/fc，那么测量的频率是周期的倒数，所以Fx=fc/N。

测量方法对比

两种方法的基本特征对比：

测频法适合测量高频信号，测周法适合测量低频信号。

这个从图中也可以看出来，测频法在闸门时间内，最好多出现一些上升沿，计次数量多一些，这样有助于减小误差。

而对于测周法，恰恰相反，需要信号频率低一些，低频信号周期较长，计次数量多一些，这样有助于减小误差。

测频法测量结果更新的慢一些，数值相对稳定。

测周法测量结果更新的快一些，数据跳变也快。

测频法测量的是在闸门时间内的多个周期，所以他自带一个均值滤波，如果在闸门时间内波形频率有变化，那得到的其实是这一段时间的平均频率。如果闸门时间选为1s，那么每隔1s才能得到一次结果，所以测频法结果更新慢，测量结果是一段时间的平均值，值比较平滑。

测周法它只测量一个周期，就能出一次结果，所以出结果的速度取决于待测信号的频率，一般而言待测信号都是几百几千Hz，所以一般情况下测周法结果更新更快一些，但是由于他只测量一个周期，所以结果值会受噪声的影响，波动比较大。

刚才我们说了，高频适合使用测频法，低频适合使用测周法，那么，多高算高？多低算低呢？

这就涉及到中界频率的概念了，中界频率是测频法与测周法误差相等的频率点。我们之前说过，不论测频法还是测周法，都是想要让计次N的数值越大越好，因为这样误差小。为什么会有误差？因为在这些方法中，计次可能会出现正负1的误差，比如测频法，在闸门时间内，并不是每个周期信号都是完整的，比如在最后的时间里，可能有一个周期刚出现一半，闸门时间就到了，那这只有半个周期，只能舍弃掉或者当做一整个周期来看，那在这个过程就会出现多记一个或者少记一个的情况。所以当计次N比较大时，正负1对N的影响就会很小。

那当有一个频率测频法和测周法的计次N相同，就说明误差相同，这就是中界频率了。

我们把测频法和测周法的N都提出来， 让这两个N相等，把fx解出来，就得到中界频率fm了。fm=√fc / T 。

当待测信号小于中界频率时，就选择测周法，反之选择测频法。

输入捕获信号线路

在信号输入之后，CH1、2、3会有一根线路进入一个异或门，当这三个输入引脚的任何一个有电平翻转时，输出引脚就产生一次电平翻转，之后输出通过数据选择器到达TI1(输入捕获通道1)。数据选择器如果选择上面的，那输入捕获通道1的输入就是3个引脚的异或值；如果选择下面的这个，异或门就没有使用，4各通道各用各的引脚。

输入信号来到了“输入滤波器和边沿检测器”这里之后，输入滤波器可以对信号进行滤波，避免一些高频的毛丝信号误触发。然后边沿检测器，这就和外部中断那里是一样的了，可以选择高电平触发，或者低电平触发，当出现指定的电平时，边沿检测电路就会触发后续电路来执行动作。另外这里，他其实是设计了两套滤波和边沿检测电路，第一套电路，经过滤波和极性选择，得到TI1FP1(TI1 Filter Polarity 1)，输入给通道1的后续电路。第二套电路，经过另一个滤波和极性选择得到TI1FP2(TI1 Filter Polarity 2)，输入给下面通道2的后续电路。同理，下面的TI2信号进来，也经过两套滤波和极性选择，得到TI2FP1和TI2FB2。在这里我们可以发现，两个信号进来，可以选择各走各的，也可以选择一个交叉，让CH2引脚输入给通道1，或者CH1引脚输入通道2。

那这里为什么要进行交叉连接呢？

这样做的目的，个人认为主要有两个，第一个目的，可以灵活切换后续捕获电路的输入，比如你一会想以CH1作为输入，一会想以CH2作为输入，这样就可以通过这个数据选择器，灵活地进行选择。第二个目的，也是它交叉的主要目的，就是可以把一个引脚的引入，同时映射到两个捕获单元，这也是PWMI模式的经典结构。等会讲PWMI模式的时候，你就知道这样设计的好处了。第一个捕获通道使用上升沿触发，用来捕获周期，第二个通道使用下降沿触发，用来捕获占空比。两个引脚同时对一个引脚进行捕获，就可以同时测量频率和占空比。

继续往后看，输入信号进行滤波和极性选择后，就来到了预分频器，预分频器每个通道各有一个，可以选择对前面的信号进行分频，分频之后的触发信号就可以出发捕获电路进行工作了。每来一个触发信号，CNT的值就会向CCR转运一次，转运的同时，会发生一个捕获事件，这个事件会在状态寄存器置标志位，同时也可以产生中断，如果需要在捕获的瞬间处理一些事情的话，就可以开启这个捕获中断，这就是整个电路的工作流程。

测周法测量频率具体怎么实现？

比如我们可以配置上升沿触发捕获，每来一个上升沿，CNT转运到CCR一次，又因为这个CNT计数器是由内部的标准时钟驱动的(CNT在两个上升沿之间不断自增)，所以CNT的数值，其实就可以用来记录两个上升沿之间的时间间隔，这个时间间隔就是周期，再取个倒数，就是测周法测量的频率了。这里还有一个细节问题，就是每次捕获之后，我们都需要把CNT清0一下。这样下次上升沿再捕获的时候取出的CNT才是两个上升沿的时间间隔。这个在一次捕获后自动将CNT清零的步骤，我们可以用主从触发模式自动来完成，等会我们详细介绍。

输入捕获通道

滤波器的工作原理

引脚进来，先进入一个滤波器，滤波器的输入是TI1，就是CH1的引脚，输出的TI1F就是滤波后的信号。

fDTS是滤波器的采样时钟来源，下面的CCMR1寄存器里的ICF位可以控制滤波器的参数。

那这个滤波器具体是怎么工作的呢？

可以看一下手册，在CCMR1寄存器这里，有IC1F位，描述是，这几位定义了TI1输入的采样频率及数字滤波长度，数字滤波器是由一个事件计数器组成。他记录到N个事件后会产生一个输出的跳变。简单理解，这个滤波器的工作原理就是，以采样频率对输入信号进行采样，当连续N个值都为高电平，输出才为高电平；连续N个值都为低电平，输出才为低电平。如果你信号出现高频抖动，导致连续采样N个值不全都一样，那输出就不会变化，这样就可以达到滤波的效果。采样频率越低，采样个数N越大，滤波效果就越好。在实际应用中，如果波形的噪声比较大，就可以把这个参数设置大一些，这样就可以过滤噪声了。

TI1F信号走向

继续看信号，滤波之后的信号TI1F会继续通过边沿检测器，捕获上升沿或者下降沿。

信号通过边沿检测器后需要选择极性，用这个CCER寄存器器里的CC1P位，就可以选择极性了。

最终得到TI1FP1触发信号，通过数据选择器进入通道1后续的捕获电路。

当然这里实际应该还有一套一样的电路，得到TI1FP2触发信号，连接到通道2的后续电路，这里并没有画出来。但图中可以看出来同样有通道2TI2FP1连接到通道1的后续。

这四个连接方式经过这里的数据选择器，进入后续捕获部分电路，CC1S位可以对数据选择器进行选择，之后ICPS位可以配置这里的分频器，最后CC1E位控制输出使能或失能。

主从触发模式（自动清零CNT）

这个TI1FP1信号和TI1边沿信号都可以通向从模式控制器，比如TI1FP1信号的上升沿触发捕获信号的同时也可以触发从模式。这个从模式里面就有电路，可以自动完成CNT的清零。所以可以看出，这个从模式就是完成自动化操作的利器。

如何来完成硬件自动化的操作？

主从触发模式就是主模式、从模式和触发源选择这三个功能的简称。

其中主模式可以将定时器内部的信号，映射到TRGO引脚，用于触发别的外设，所以这部分叫做主模式。

从模式，就是接收其他外设或者自身外设的一些信号，同于控制自身定时器的运行，也就是被别的信号控制。其中触发源选择，就是选择从模式的触发信号源，你可以认为它是从模式的一部分。

触发源选择，你选定一个信号，得到TRGI，TRGI去触发从模式，从模式可以在最右边的列表里选择一项操作来自动执行。

如果想要TI1FP1信号自动触发清零CNT，那触发源选择，就可以选中这里的TI1FP1，从模式执行的操作，就可以选择Reset的操作。这样TI1FP1的信号就可以自动触发从模式，从模式自动清零CNT了，实现硬件全自动测量。这就是主从触发模式的用途。

输入捕获基本结构

这个结构，我们只使用了一个通道，所以他目前只能测量频率，我们把右上角的时基单元配置好启动定时器，那这个CNT，就会在预分频之后的这个时钟驱动下，不断自增，这个CNT就是我们测周法用来计数计时的东西，经过预分频之后这个位置的时钟频率，就是驱动CNT标准频率fc。这里不难看出，标准频率fc=72M/预分频系数。

下面这个输入捕获通道1的GPIO口，输入一个左上角这样的方波信号，经过滤波器和边沿检测，选择TI1FP1上升沿触发，之后输入选择直连的通道，分频器选择不分频，当TI1FP1出现上升沿之后，CNT的当前计数值转运到CCR1里，同时触发源选择，选中TI1FP1为触发信号，从模式选择Reset(复位)操作，这样TI1FP1的上升沿，也会通过上面这一路，去触发CNT清零。当然这里会有先后顺序，肯定是先转运CNT的值到CCR里去，再触发从模式给CNT清零，或者是非阻塞的同时转移，CNT的值转移到CCR，同时0转移到CNT里面去。总之肯定不会是先清零再捕获，要不然捕获的值肯定都是0了。这是这两条路的执行逻辑。

当我们想要读取信号频率时，只需要读取CCR1得到N，再计算fc/N就行了。当我们不需要读取的时候，整个电路全自动的测量，不需要占用任何软件资源。

还有几个注意事项需要说明一下，首先是CNT的值是由上限的，ARR一般设置为最大65535，那CNT最大也只能计65535个数，如果信号频率太低，CNT计数值可能会溢出。另外还需要注意，这个从模式的触发源选择，只有TI1FP1和TI2FP2，没有TI3和TI4的信号，所以想使用从模式自动清零CNT，就只能用通道1和通道2。对于通道3和通道4，就只能开启捕获中断，在中断里手动清零了，不过这样程序就处于频繁中断的状态，比较消耗软件资源，这个注意一下。

PWMI基本结构

这个PWMI模式，使用了两个通道同时捕获一个引脚，可以同时测量周期和占空比，上面的结构和输入捕获基本结构一样，只不过下面多了一个通道。

首先TI1FP1配置上升沿触发，触发捕获和清零CNT，正常的捕获周期。这时我们再来一个TI1FP2，配置为下降沿触发，通过交叉通道，去触发通道2的捕获单元。

CCR2捕获低电平，并不会触发CNT清零，CCR1捕获周期，CNT清零。这样执行之后，CCR1就是一整个周期的计数值，而CCR2就是高电平期间的计数值，我们用CCR2/CCR1，就是占空比了。

这就是PWMI模式使用两个通道来捕获频率和占空比的思路。