1 问题引出
在单片机与嵌入式开发中,某些场景需要捕获传感器的高电平(或低电平)信号的持续时间,如红外解码信号、编码器输入信号等。
如下图,以单一的一段高电平输入信号为例,如何测量这段高电平的时间呢?
从直观上理解,就是要不断的检测这个信号,当信号从0变到1时,记录一个时间,再从1变到0时,记录另一个时间,两个时间差就是高电平的持续时间了。那具体要怎么编程呢?这就要用到定时器了。
2 定时器的捕获原理
上篇介绍了定时器的输出功能,本篇是利用定时器的输入功能,来计算脉冲时长。如下图:
- 定时器的CNT计数器在不停的计数
- 首先配置定时器的输入通道为上升沿捕获,这样当检测到从0到1的跳变时,CCR1就会先保存当前的CNT值,同时CNT会清零重新开始计数
- 然后将定时器的输入通道为下降沿捕获,当检测从1到0的跳变时,CCR2就会先保存当前的CNT值
- 在这期间,CNT的计数值可能会溢出,这不影响,记录下溢出的次数,并重新开始计数即可
- 最终,t2-t1的高电平时间,就可以通过N次的溢出时间加CCR2保存的时间来计算获得了
3 定时器常用的寄存器
上篇介绍了定时器输出PWM时用到的几个寄存器(CR、CCMR、CNT、PSC、ARR、CCR等),这里再介绍几个捕获信号时需要用到的几个寄存器:
3.1 捕获/比较模式寄存器CCMR1
CCMR寄存器上篇已有介绍,只是上篇仅介绍了输出模式下的功能,本篇再介绍一下它在输入模式下的功能:
这些通道可用于输入(捕获模式)或输出(比较模式)模式。通道方向通过配置相应的 CCxS 位进行定义。此寄存器的所有其它位在输入模式和输出模式下的功能均不同。对于任一给定位
因此,必须注意同一个位在输入阶段和输出阶段具有不同的含义。
这里仅先介绍输入模式下的功能:
-
位 15:12 IC2F:输入捕获 2 滤波器 (Input capture 2 filter)
-
位 11:10 IC2PSC[1:0]:输入捕获 2 预分频器 (Input capture 2 prescaler)
-
位 9:8 CC2S:捕获/比较 2 选择 (Capture/compare 2 selection)
用法参照下面的CC1S通道1
-
位 7:4 IC1F:输入捕获 1 滤波器 (Input capture 1 filter)
数字滤波器由事件计数器组成,每 N 个事件才视为一个有效边沿:
- 0000:无滤波器
- 0001~1111:其它频率的滤波器
-
位 3:2 IC1PSC:输入捕获 1 预分频器 (Input capture 1 prescaler)
此位域定义 CC1 输入 (IC1) 的预分频比。只要 CC1E=0(TIMx_CCER 寄存器),预分频器便立即复位。
- 00:无预分频器,捕获输入上每检测到一个边沿便执行捕获
- 01~11:每发生 2 (4、8)个事件便执行一次捕获
-
位 1:0 CC1S:捕获/比较 1 选择 (Capture/Compare 1 selection),此位域定义通道方向(输入/输出)以及所使用的输入。
- 00:CC1 通道配置为输出
- 01:CC1 通道配置为输入,IC1 映射到 TI1 上
- 10:CC1 通道配置为输入,IC1 映射到 TI2 上
- 11:CC1 通道配置为输入,IC1 映射到 TRC 上。此模式仅在通过 TS 位(TIMx_SMCR 寄存器)选择内部触发输入时有效
注: 仅当通道关闭时(TIMx_CCER 中的 CC1E = 0),才可向 CC1S 位写入数据。
3.2 捕获/比较使能寄存器CCER
我们要用到这个寄存器的最低 2 位, CC1E 和 CC1P。
-
位 15、11、7、3 CCxNP:捕获 /比较x 输出极性 (Capture/Comparex output Polarity)。
- CCx 通道配置为输出: CCxNP 必须保持清零。
- CCx 通道配置为输入:此位与 CCxP 配合使用,用以定义 TI1FP1/TI2FP1 的极性。请参见 CCxP 说明。
-
位 14、10、6、2 保留,必须保持复位值。
-
位 13、9、5、1 CCxP:捕获 /比较x 输出极性 (Capture/Comparex output Polarity)。
-
位 12、8、4、0 CCxE:捕获 /比较 x 输出使能 (Capture/Comparex output enable)。
3.3 DMA/中断使能寄存器DIER
我们需要用到中断来处理捕获数据,所以必须开启通道 1 的捕获比较中断,即 CC1IE 设置为 1 。
- 位 15、13、7、5 保留,必须保持复位值。
- 位 14 TDE:触发 DMA 请求使能 (Trigger DMA request enable)
- 位 12~位9 CCxDE:捕获/比较x DMA 请求使能 (Capture/Compare 1 DMA request enable)
- 位 8 UDE:更新 DMA 请求使能 (Update DMA request enable)
- 位 6 TIE:触发信号(TRGI)中断使能 (Trigger interrupt enable)
- 位 4~位1 CCxIE:捕获/比较x 中断使能 (Capture/Compare 1 interrupt enable)
- 位 0 UIE:更新中断使能 (IC1Prescaler(TIMx, TIM_ICInitStruct->TIM_ICPrescaler);
}
else if (TIM_ICInitStruct->TIM_Channel == TIM_Channel_2)
{
/@@*省略...*/
}
}
```
static void TI1_Config(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPolarity, uint16_t TIM_ICSelection,uint16_t TIM_ICFilter)
{
uint16_t tmpccmr1 = 0, tmpccer = 0;
-
/@@* 关闭通道1: 复位CC1E位 */
TIMx->CCER &= (uint16_t)~TIM_CCER_CC1E;
tmpccmr1 = TIMx->CCMR1;
tmpccer = TIMx->CCER;
-
/@@* 通过设置CC1S选择为输入模式, 并配置滤波器 */
tmpccmr1 &= ((uint16_t)~TIM_CCMR1_CC1S) & ((uint16_t)~TIM_CCMR1_IC1F);
tmpccmr1 |= (uint16_t)(TIM_ICSelection | (uint16_t)(TIM_ICFilter << (uint16_t)4));
-
/@@* 选择CC1P极性并设置CC1E位 */
tmpccer &= (uint16_t)~(TIM_CCER_CC1P | TIM_CCER_CC1NP);
tmpccer |= (uint16_t)(TIM_ICPolarity | (uint16_t)TIM_CCER_CC1E);
-
/@@* 写数据到 TIMx 的CCMR1 和 CCER 寄存器 */
TIMx->CCMR1 = tmpccmr1;
TIMx->CCER = tmpccer;
}
void TIM_SetIC1Prescaler(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPSC)
{
TIMx->CCMR1 &= (uint16_t)~TIM_CCMR1_IC1PSC; /@@* 复位IC1PSC位 */
TIMx->CCMR1 |= TIM_ICPSC; /@@* 设置IC1PSC值 */
}
TIM_ITConfig
函数对于中断的开启,其实就是操作DIER
寄存器:
void TIM_ITConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT, FunctionalState NewState)
{
if (NewState != DISABLE)
{ /@@* 使能中断 */
TIMx->DIER |= TIM_IT;
}
else
{ /@@* 失能中断 */
TIMx->DIER &= (uint16_t)~TIM_IT;
}
}
4.1.4 定时器中断初始化
定时器中断的使能设置已在上面的定时器配置中设置,这里只是进行常规的配置定时器中断的优先级:
/@@*定时器中断配置*/
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2; //抢占优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =0; //子优先级3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据指定的参数初始化NVIC寄存器
4.2 定时器中断服务函数
此处用到了两个全局变量,用于辅助实现高电平捕获。其中:
-
TIM5CH1_CAPTURE_VAL
用来记录捕获到下降沿的时候 TIM5_CNT的值。
-
TIM5CH1_CAPTURE_STA
用来记录捕获状态,我们把它当成一个寄存器那样来使用 。其各位描述下:
u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //输入捕获状态(当中一个自制的寄存器使用,初始为0)
u32 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //输入捕获值(TIM2/TIM5是32位)
-
/@@**
* @brief 定时器5中断服务程序
*/
void TIM5_IRQHandler(void)
{
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//还未成功捕获 (1000 0000)
{
/@@*定时器溢出中断*/
if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET)
{
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)/@@* 之前标记了开始信号(0100 0000) */
{
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F) /@@* 高电平太长了,计数溢出了 (0011 1111) */
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80; /@@* (强制)标记成功捕获了一次 (1000 0000) */
TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFFFFFF; /@@* 因为溢出次数N不能再加了,就将当前的捕获值设置为32位的最大值,等效Nmax+1*/
}
else /@@* 正常情况是不会溢出,最终得出正确的高电平时间 */
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA++; /@@* 累计定时器溢出次数N */
}
}
else
{
/@@* 还没有捕获到信号时,定时器溢出后什么也不做,自己清零继续计数即可 */
}
}
-
/@@*捕获1发生捕获事件*/
if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET)
{
/@@*捕获到一个下降沿(结束信号)*/
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40) /@@* 之前标记了开始信号(0100 0000) */
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80; /@@* 标记成功捕获到一次高电平脉宽 (1000 0000) */
TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM5); /@@* 获取当前的捕获值 */
TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Rising); /@@* CC1P=0 重新设置为上升沿捕获,用于下次捕捉信号 */
}
/@@*还未开始,第一次捕获 上升沿(起始信号) */
else
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; /@@* 清空 捕获状态寄存器 */
TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0; /@@* 清空 捕获值 */
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40; /@@* 标记捕获到了上升沿 (0100 0000) */
-
TIM_Cmd(TIM5,DISABLE ); /@@* 关闭定时器5 */
TIM_SetCounter(TIM5,0); /@@* 清空CNT,重新从0开始计数 */
TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Falling); /@@* CC1P=1 设置为下降沿捕获 */
TIM_Cmd(TIM5,ENABLE ); /@@* 使能定时器5 */
}
}
}
TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中断标志位
}
再来对比一下这张图:
- 初始化时设置为上升沿触发,触发后(起始信号),清空CNT,重新从0开始计数,并设置为下降沿捕获
- 在之后的过程中可能会有多次定时器计数溢出,即TIM5CH1_CAPTURE_STA++(使用低6位),也即N的值
- 最后捕捉到下降沿(结束信号),TIM5CH1_CAPTURE_VAL获取当前CNT的值,也即CCRx2的值
再看主函数中:
while(1)
{
/@@* 成功捕获到了一次高电平 (1000 0000) */
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)
{
temp=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F; /@@* 获取溢出的次数N (0011 1111) */
temp*=0XFFFFFFFF; /@@* 溢出时间总和 = N*溢出计数值 */
temp+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL; /@@* 总的高电平时间 = 溢出时间总和 + 下降沿时的计数值*/
-
printf("HIGH:%lld us\r\n",temp); //打印总的高点平时间
TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //开启下一次捕获
}
}
当检查TIM5CH1_CAPTURE_STA
为捕获到1次高电平后,打印高电平的持续时间:
- 总的高电平时间 =N(TIM5CH1_CAPTURE_STA的低6位) ARR(溢出计数值)+ *CCRx2(下降沿时的计数值)
附:一些寄存器简写的全称
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ARR:auto-reload register 自动重载寄存器
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CCR:capture/compare register 捕获/比较寄存器
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PSC:prescaler 预分频器
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CNT:counter 计数器
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SR:status register 状态寄存器
-
CCMR:capture/compare mode register 捕获/比较模式寄存器
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CCER:capture/compare enable register 捕获/比较使能寄存器
- CC1P:Capture/Comparex output Polarity 捕获 /比较1输出极性
- CC1E:Capture/Comparex output enable 捕获 /比较1输出使能
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SMCR:slave mode control register 从模式控制寄存器
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DCR:DMA control register DMA 控制寄存器
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DIER:DMA/Interrupt enable register DMA/中断使能寄存器
-
DMAR:DMA address for full transfer 全传输 DMA 地址
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OR:option register 选项寄存器