AS32系列MCU芯片TIM模块的捕获和比较

一、引言

AS32系列MCU芯片集成4个高级定时器，每个定时器包含一个32位自动重载计数器，该计数器由可编程预分频器驱动，支持递增、递减、中心计数、编码器模式等计数方式。

高级定时器具有6个独立通道，可实现测量输入信号的脉冲宽度、可编程PWM输出、带死区插入的互补PWM等功能。

二、PWM简介

PWM，全称脉冲宽度调制。它是一种用数字信号来模拟模拟电压的技术。简单来说，就是快速地在“开”（高电平）和“关”（低电平）之间切换，通过改变一个周期内“开”的时间比例，来控制平均电压。

2.1****输出比较模式

定时器被配置为PWM模式时，会用到比较寄存器。

周期： 由自动重载寄存器决定。计数器从0计数到这个值，然后归零，这个过程就是一个PWM周期。

占空比： 由比较寄存器决定。它设定了电平翻转的阈值。

工作流程：

1.计数器从0开始向上计数。

2.当计数器的值 小于 比较寄存器的值时，输出高电平（例如）。

3.当计数器的值 达到或超过 比较寄存器的值时，输出翻转为低电平。

4.计数器到达自动重载值后归零，输出重新变为高电平，开始下一个周期。

通过修改比较寄存器的值，就改变了高电平在一个周期内持续的时间，从而改变了 占空比 。

输出比较可用于：

控制LED亮度： 占空比越大，LED越亮。

驱动舵机： 舵机的角度由PWM脉冲的宽度精确控制。

控制电机速度： 通过改变平均电压来调节直流电机转速。

音频输出： 通过极高频率的PWM，经过滤波后可以生成简单的音频信号。

2.2****输入捕获

输入捕获功能就像一个“高速抓拍机”。当外部引脚上发生一个特定事件（如上升沿）时，它立刻“抓拍”下当前计数器的值，并保存起来。通过分析两次“抓拍”的值，我们就能计算出这个事件的时间参
定时器配置为输入捕获模式时，会用到 捕获寄存器 。

工作流程：

1.定时器的计数器一直在自由运行。

2.当输入引脚上出现第一个上升沿时，硬件会立即将计数器当前的值复制到捕获寄存器中，并产生一个中断。

3.在中断服务程序里，程序读取这个捕获值（记为t1），并同时将捕获边沿设置为 下降沿 。

4.当引脚出现下降沿时，硬件再次将计数器的当前值捕获（记为t2）。

5.程序计算 t2 - t1，这个差值就是高电平期间计数器计数的次数，再乘以计数周期，就得到了高电平脉冲的精确宽度。

6.同理，可以再捕获下一个上升沿，计算出整个信号的周期。

输入捕获可用于：

测量脉冲宽度和频率： 例如解码红外遥控信号（NEC协议）、测量超声波测距模块返回的脉冲宽度。

解码编码器信号： 读取旋转编码器的位置和速度。

测量数字信号的占空比。

三、软件设计

本文同时启用定时器HTIM1与HTIM5的通道1与通道2。其中，两个定时器的通道1均配置为PWM输出模式，以生成PWM信号；相应的通道2则工作在输入捕获模式，并采用中断驱动方式，以精确测量PWM信号的频率与占空比。最终，测量数据将通过串口打印输出。引脚连线如下：PD4->PH9， PC9->PD5

3.1软件分析

HTIM1初始化函数： void User_TIM1_Config(uint32_t arr, uint32_t psc, uint32_t rcr)；

硬件使能与准备

1. GPIOD_CLK_ENABLE(); // 使能GPIOD时钟
2. HTIM1_CLK_ENABLE(); // 使能HTIM1时钟

定时器时基配置

1. TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // 向上计数
2. TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr; // 设定周期
3. TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc; // 设定预分频
4. TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = rcr; // 重复计数

输入捕获配置（通道2）

1. TIM_IC_InitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2; // 使用通道2
2. TIM_IC_InitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; // 上升沿捕获
3. TIM_IC_InitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; // 直接输入
4. TIM_IC_InitStructure.TIM_ICFilter = 0x0; // 无滤波器
5. TIM_IC_InitStructure.TIM_ICPrescaler = 0x0; // 每个事件都捕获

中断与PWM输出配置

中断使能：

1. TIM_IT_Update：//定时器溢出更新中断
2. TIM_IT_CC2：//通道2捕获/比较中断

PWM****输出配置（通道1）：

1. TIM_OC_InitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; // PWM模式1
2. TIM_OC_InitStructure.TIM_Pulse = arr/2; // 初始占空比50%
3. TIM_OC_InitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; // 高电平有效

注：HTIM5配置除GPIO引脚外其余配置通HTIM1，此外HTIM5和HTIM1挂在不同总线下，读者使用时需自行计算外设时钟

在输入捕获模式下，当相应的 ICx 信号检测到跳变沿后，将使用捕获/比较寄存器(TIMx_CCRx)来锁存计数器的值。简单的说就是通过检测 TIMx_CHx 上的边沿信号，在边沿信号发生跳变（比如上升沿/下降沿）的时候，将当前定时器的值（TIMx_CNT）存放到对应的通道的捕获/比较寄存（TIMx_CCRx）里面，完成一次捕获。

从上图可以看出，t1-t2 时间就是需要测量的高电平时间，假如定时器工作在向上计数模式，测量方法是：首先设置定时器通道 x 为上升沿捕获，这样在 t1 时刻，就会捕获到当前的 CNT 值，然后立即清零 CNT，并设置通道 x 为下降沿捕获，这样到 t2 时刻，又会发生捕获事件，得到此时的 CNT 值，记为 CCRx2。根据定时器的计数频率，就可以算出 t1-t2 的时间，从而得到高电平脉宽。在 t1-t2 时间内可能会出现 N 次定时器溢出，因此还需要对定时器溢出进行处理，防止因高电平时间过长发生溢出导致测量数据不准。CNT计数的次数等于：N*ARR+CCRx2，有了这个计数次数，再乘以 CNT 的计数周期，即可得到 t2-t1 的时间长度，即高电平持续时间。部分逻辑在中断函数中实现：

1. void TIM1_IRQ_Handler()
2. {
3. static uint32_t TIM1_counter=0;
4. /* Get the value of TIM_CNT*/
5. if (TIM1_GetComplete==0)
6. {
7. if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_Update)!= RESET)
8. {
9. TIM1_Update_counter++;
10. TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update);
11. }
13. if (TIM_GetITStatus(TIM1, TIM_IT_CC2)!= RESET)
14. {
15. TIM1_counter++;
16. if (TIM1_counter==1)
17. {
18. TIM1_Update_counter=0;
19. TIM1_Value1=TIM_GetCounter(TIM1);
20. }
21. if (TIM1_counter==2)
22. {
23. TIM1_Value2=TIM_GetCounter(TIM1);
24. TIM1_counter=0;
25. TIM1_GetComplete=1;
26. }
27. TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_CC2);
28. }
29. }
30. else
31. {
32. TIM_ClearITPendingBit(TIM1, TIM_IT_Update | TIM_IT_CC2);
33. }
34. }

计算并输出PWM信号周期和频率的函数

1. /* Calculate the input frequency and period */
2. TIM1_Input_Poriod=(10000*TIM1_Update_counter-TIM1_Value1+TIM1_Value2);
3. TIM1_Input_Poriod = TIM1_Input_Poriod/20;
4. Printf("TIM1 Input_Poriod: %d usrn", (uint32_t)TIM1_Input_Poriod);
5. Printf("TIM1 Frequence: %d hzrn", (uint32_t)(1000000/TIM1_Input_Poriod));
6. TIM1_Update_counter=0;
7. TIM1_GetComplete=0;
8. ClearCache();

其中第三行的20 为 HTIM1的时钟频率为20M。

四、开发板验证：

审核编辑 黄宇