输入捕获-测量频率
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一、频率的测量方法

  如上图是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,它也是只能测量数字信号的。如果需要测量一个正弦波则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,那还要考虑隔离的问题,比如使用隔离放大器、电压互感器等元件,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的信号是如上图的高低电平信号,高电平3.3v,低电平0v。

为了测量频率,有两种方法可以选择:测频法、测周法

测频法:定时器中断,并记录捕获次数;测周法:捕获中断,并记录定时器次数。

测频法

  测频法的测试方法(直接按频率定义来进行测量的方法)是:在闸门时间T内,对上升沿(也可以是下降沿)计次,得到N,则待测信号频率𝑓𝑥 为:

$$
f_{x}=\frac{N}{T}
$$

  例如,可以定义闸门时间闸门时间T=1s (砸门时间不是必须为1s),则在一秒中得到的上升沿的个数(每来一个上升沿就是完整的一个周期的信号个数)就是频率

频率的定义就是,1s内出现了多少个重复的周期,那频率就是多少Hz

测周法

  测周法的测试方法是:两个上升沿内,以标准频率fc计次,fc=72M/(psc+1),得到N(就是读取CCR的值),则测量频率𝑓𝑥为:

$$
f_{x}=\frac{f_{c}}{N}
$$

  测周法的基本思想是:周期的倒数就是频率。如果我们能用定时器测量出一个周期的时间(相邻上升沿或相邻下降沿的间隔时间)取倒数即得到测量频率。

捕获信号的两个上升沿,然后测量一下两个上升沿之间持续的时间,但是实际上,并没有一个精度无穷大的秒表来测量时间,测量时间的方法,实际上也是定时器计次,我们使用一个已知的标准频率fc的计次时钟来驱动计数器,从一个上升沿开始计数器从0开始一直计到下一个上升沿停止,计一个数的时间是1/fc,计N个数时间就是N/fc也就是周期,再取倒数就得到了频率fx

输入捕获模块采用测周法进行测量。

测频法和测周法的误差分析

  测频法适用于测量高频信号,测周法适用于测量低频信号。

根据上图可以清晰地看出,测频法在闸门时间内,最好要多出现一些上升沿,计次数量多一些有助于减小误差,测频法要求信号频率要稍微高一些,测频法的测量结果更新慢一些,测量结果是一段时间的平均值,值比较平滑,数值相对稳定;对于测周法,就要求信号频率低一些,低频信号,周期比较长,计次就会比较多,有助于减小误差,测周法的测量结果更新的快,只测量一个周期,就能出一次结果,数据跳变也非常快,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hz几千hz,所以一般情况下,测周法结果更新更快,但是由于它只测量一个周期,所以结果值会受噪声的影响,波动比较大,这就是这两种方法的基本特征对比。

测频法计次和测周法计次,这个计次数量N尽量要大一些,N越大,相对误差越小,因为在这些方法中,计次可能存在正负1误差,要想减小正负1误差,就尽量多记一些数,当计次N比较大时,正负1对N的影响就会很小。

  由于测量原理的差异,一般而言,测频法的结果更新频率会比较慢,但是数值较为稳定;测周法的结果更新频率较快,数据跳变也比较灵敏。从原理上看,测频法自带一个均值滤波的功能,如果在闸门时间 T内被测频率有变化,测频法得到的实际是这一段闸门时间内的平均频率;而测周法只测量一个周期,故其结果会受噪声的影响,波动会比较大。所以,对于测频法和测周法的一个共同点是:N越大,误差就越小。在两种方法中,计次都可能会产生正负1误差。在测频法的一个闸门时间内,并不是每一个被测信号的周期都是完整的;测周法的标准计数信号的信号也不一定是被测信号的整数倍,所以它也不一定是每一个都完整的。对于上述的两种情况,都会出现多计一个数或者少计一个数的情况,所以会产生正负1误差。

  如何在不同情况下正确选择测频法和测周法呢?所以多高算高频,多低算低频,我们有以下一个参数来考量:中界频率,测频法和测周法误差相等的频率点。由于两种方法的误差都与N的正负1误差有关,所以当两种方法计次的N相同时,两种方法的误差也就相同。消去两种方法公式中的N,将测频法和测周法的N提出来,令两个方法N相等,将fx解出来,可得:

$$
当N相等时,由测评法和测周法两个公式得\\ f_{x}·T = \frac{f_{c}}{f_{x}}\\ \Rightarrow (f_{x})^{2} =\frac{f_{c}}{T}\\ \Rightarrow f_{x} = \sqrt{\frac{f_{c}}{T} }
$$

公式中,T 是测频法的闸门时间,fc是测频法的标准频率。

当待测信号频率小于中界频率时,测周法误差更小,选择测周法更合适;当待测信号频率大于中界频率时,测频法误差更小,选择测频法更合适。

用STM32来实现测频法和测周法

测频法,之前学过的外设可以实现,对射式红外传感器计次、定时器外部时钟,这些代码稍加改进就是测频法,比如 对射式红外传感器计次,每来一个上升沿计次+1,再用一个定时器,定一个1s的定时中断,在中断里,每隔1s取一下计次值,同时清0,为下一次做准备,这样每次读取的计次值就直接是频率;对应定时器外部时钟的代码,也是如此,每隔1s取一下计次,就能实现测频法测量频率的功能了。

本节输入捕获测频率,使用的方法是测周法。就是测量两个上升沿之间的时间,来进行频率测量。


输入捕获

输入捕获简介

  输入捕获,即Input Capture,英文缩写为IC。输入捕获模式下,当通道输入引脚出现指定电平跳变瞬间,当前CNT的值将被锁存到CCR中(检测电平跳变,然后执行动作(作用和外部中断差不多,只不过外部中断执行的动作是向CPU申请中断,输入捕获执行的是控制后续电路)),可用于测量PWM波形的频率、占空比、脉冲间隔、电平持续时间等参数。在这里,脉冲间隔和频率差不多、电平持续时间和占空比也是互相对应的关系。

每个高级定时器和通用定时器都拥有4各输入捕获通道。基本定时器没有输入捕获的功能。

  输入捕获模块可以配置为PWMI(PWM输入)模式和主从触发模式。PWMI模式是PWM的输入模式,专门用来同时测量PWM波形的频率和占空比的。主从触发模式可以实现对频率或占空比的硬件的全自动测量。把这两个功能结合起来,测量频率和占空比就是硬件全自动执行,软件不需进行任何干预,也不需进中断,需要测量的时候,直接读取CCR寄存器就行了,使用非常方便且极大地减轻了软件的压力。

如下图,左边为输入捕获电路,4个输入捕获和输出比较通道,共用4个CCR寄存器,另外它们的CH1到4的4个通道引脚也是共用的,所以对于同一个定时器,输入捕获和输出比较只能使用其中一个,不能同时使用。

输入捕获对比输出比较:

  • 输出比较,引脚是输出端口,根据CNT和CCR的大小关系来执行输出动作
  • 输入捕获,引脚是输入端口,接收到输入信号执行CNT锁存到CCR的动作

输入捕获的各部分电路

从左向右依次进行电路分析:

  • 最左边是四个通道的引脚,参考引脚定义表,就知道 引脚是复用在哪个位置
  • 然后引脚进来,有一个三输入的异或门,这个异或门的输入接在了通道1、2、3端口,异或门的执行逻辑是,当三个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,3个引脚电平都相同为0,3个引脚中有高有低为1。
  • 然后输出通过数据选择器,到达输入捕获通道1,数据选择器如果选择上面一个,那输入捕获通道1的输入就是三个引脚的异或值;若选择下面一个,异或门就没有用。设计异或门,其实还是为了三相无刷电机服务的,无刷电机有三个霍尔传感器检测转子的位置,可以根据转子的位置来进行换相。
  • 输入信号来到了输入滤波器和边沿检测器(极性选择)。输入滤波器可以对信号进行滤波,避免一些高频的毛刺信号误触发;边沿检测器就是和外部中断一样,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执行动作。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,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,输入给通道2的后续电路,同理,下面TI2信号进来,也经过两套滤波和极性选择得到TI2FP1输入通道1和TI2FP2输入通道2。可以进行交叉连接,例如CH1引脚输入给通道2,CH2引脚输入给通道1,进行交叉连接的目的是两个:1.一个通道灵活切换两个引脚,可以灵活切换后续捕获电路的输入,2.两个通道同时捕获一个引脚,可以把一个引脚的输入,同时映射到两个捕获单元,这也是PWMI模式的经典结构,实现两个通道(IC)对一个引脚(CH)进行捕获,就可以同时测量频率和占空比。可以选择各自独立连接,也可以选择进行交叉连接。另外还有一个TRC信号,也可选择作为捕获部分的输入,TRC信号来源于最上面,设计也是为了无刷电机的驱动。
  • 然后来到了预分频器。每个通道各有一个预分频器,可以选择对前面的信号进行分频,分频之后的触发信号,就可以触发电路进行工作了,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,比如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CNT计数器是由内部的标准时钟驱动的,所以CNT的数值可以用来记录两个上升沿之间的时间间隔(周期)再取倒数就是测周法测量的频率了,在一次捕获后将CNT清零(可以用主从触发模式来自动完成CNT清零)

  输入捕获通道1的详细框图如下所示:(如下是上面框图的一个细化结构,基本功能都是一样的)

如上图,电路细节内容如下:

  • 引脚进来,先经过一个滤波器,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
  • CCMR1寄存器里的ICF位可以控制滤波器的参数
  • 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,当连续N个值都为低电平,输出才为低电平,如果信号出现高频抖动,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,如果波形噪声比较大,就可以把IC1F位参数设置大一点来过滤噪声。
  • 滤波之后的信号通过边沿检测器。捕获上升沿或者下降沿
  • CCER寄存器里的CC1P位可以进行极性选择
  • 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。
  • 当然还有一套一样的电路得到TI1FP2触发信号,连通到通道2的后续电路,上图并没有画出来,同样,通道2有TI2FP1连通到通道1的后续,通道2也有TI2FP2连通到通道2的后续,总共有四种连接方式,然后经过数据选择器,进入后续捕获部分电路
  • CCMR寄存器的CC1S位可以对数据选择器进行选择
  • 之后,CCMR寄存器的ICPS位可以配置分频器,可以选择不分频、2分频、4分频、8分频
  • CCMR寄存器的CC1E位,控制输出使能或失能。如果使能了输出,输入端产生指定边沿信号,经过层层电路,就可以最后将CNT的值转运到CCR里来,每捕获一次CNT的值,都要把CNT清0一下,以便于下一次的捕获,从模式控制器就可以在捕获之后自动完成CNT的清零工作
  • TI1FP1信号和TI1F_ED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,还可以同时触发从模式,这个从模式里就有电路,可以自动完成CNT的清零。从模式就是完成自动化操作的利器

输入捕获的主模式、从模式、触发源选择(简称:主从触发模式)

  CCR对CNT进行捕获之后,需要对CNT进行一次清0操作,这样每次捕获得到的值才是测周法,两个上升沿(下降沿)之间的时间间隔。这个清0操作,就需要用到主从触发模式来自动完成。由输入捕获通道1的详细框图可得:经过滤波和极性选择的TI1FP1信号和经过滤波的边沿信号TI1F_ED都可以通向从模式控制器,之后便可以通过硬件电路自动完成CNT的清0操作。

  主从触发模式,即主模式、从模式和触发源选择三个功能的简称。

主模式可以将定时器内部的信号映射到TRGO引脚,用于触发其他外设的操作;

从模式可以接收其他外设或自身外设的一些信号,用于触发自己的一些操作(定时器的运行);

触发源选择,即选择从模式的触发信号源功能,也可以认为它是从模式的一部分。

  在从模式下,可以通过触发源选择功能选择一个信号产生TRGI信号,之后去触发从模式,从模式可以在上面列表中选择一项操作来自动执行。关于主从模式的详细说明可以参见手册。

输入捕获和PWMI基本结构

输入捕获基本结构

下图是输出捕获模式测频率的基本结构图。

上图清晰地展示了输入捕获模式测量频率的过程,同时也是编程的逻辑基础。在这里我们只使用了一个通道,所以它只能测量频率。

  首先,配置时基单元,启动寄存器,则CNT就会在预分频之后的时钟驱动下不断自增。测周法用CNT来计数,间接实现计时的功能。经过预分频后的时钟频率,就是测周法的标准频率fc。之后,GPIO输入一个待测的方波信号,经过经过滤波器和边沿检测选择TI1FP1为上升沿触发,之后数据选择器选择直连通道,分频器选择不分频。当TI1FP1出现上升沿之后,CNT的值就会被CCR1转运捕获;同时触发源选择模块选择TI1FP1为触发信号,从模式选择复位操作,触发CNT清零(先后顺序是:先转运CNT的值到CCR,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,总之是先捕获,再清零)。当电路不断工作时,CCR1中的值始终是最新一个周期的计数值,即测周法的计次数 N。所以,当我们想读取信号的频率时,只需要读取CCR1得到N,再计算fc/N就得到频率了。当不需要读取时,整个电路全自动的测量,不需要占用任何软件资源。

  这里需要注意以下两点:

  • CNT的计数值是有上限的。由于ARR最大为65535,故CNT最大也只能计65535个数。如果信号频率太低,CNT的计数值可能会溢出。
  • 从模式的触发源选择中有TI1FP1和TI2FP2,但是没有TI3和TI4的信号。所以如果要使用从模式自动清零CNT,就必须使用通道1或通道2作为输入。对于通道3和通道4,就只能开启捕获中断,在中断中手动清0了(程序会处于频繁中断的状态,比较占用软件资源)。

PWMI基本结构

PWMI模式使用两个通道同时捕获一个引脚,可以同时测量周期和占空比,相比前面输入捕获,下面多了一个TI1FP2的通道。

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,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(最开始上升沿CCR1捕获同时清零CNT,之后CNT一直加,然后在下降沿时刻触发CCR2捕获,这时CCR2的值就是CNT从上升沿到下降沿的计数值也就是高电平期间的计数值,CCR2捕获并不触发CNT清零,所以CNT继续加,直到下一次上升沿,CCR1捕获周期并CNT清零,这样执行之后CCR1就是一整个周期的计数值,CCR2就是高电平期间的计数值,用CCR2/CCR1就是占空比,以上就是PWMI模式使用两个通道来捕获频率和占空比的思路。另外也可以两个通道同时捕获第一个引脚的输入)手册本节相应的内容,描述是寄存器的方式,结合上面笔记内容进行进一步理解。

  • 手册中, 脉冲宽度测量就是占空比, 周期测量就是频率
  • 主要理解,从模式配合输入捕获完成硬件自动化

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    Source: github.com/k4yt3x/flowerhd
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