利用STM32的外部中断和定时器测量频率

只看该作者 · 2023-10-28 01:13

利用定时器产生PWM波。然后利用32的外部中断和定时器来测量32输出的波形硬件：STM32F103C8T6核心板、示波器、串口调试助手所用到的的引脚为PA8和PA0。

测量方案：在第一次外部中断(上升沿触发)到之时，开启定时器，同时计数器清零。然后等待第二次中断到来，在第二次外部中断(上升沿触发)到之时，获取计数器的计数值，同时关闭计数器。因为知道了计数器计数一个数的时间，所以在第二次外部中断(上升沿触发)到之时，获取计数器的计数值，通过这个值就知道一个脉冲的时间周期。时间周期的倒数就是外部信号的频率。

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利用TIM1的CH1产生PWM波
pwm.c

#include "pwm.h"

void TIM1_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA , ENABLE); //使能GPIO外设时钟使能

//设置该引脚为复用输出功能,输出TIM1 CH1的PWM脉冲波形
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; //TIM_CH1
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //输出PWM的频率为200 000/100=2 000 HZ=2K 实际示波器测量 2.00055K
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //驱动(单片机提供给)计数器的时钟是72 000 000/36 0=200kHZ
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位

TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式2
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 3600; //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值这个值要为arr：自动重装值的一半，占空比才为50%
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高
TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure); //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMx

TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE); //MOE 主输出使能
TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); //CH1预装载使能
TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器
TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); //使能TIM1
}

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pwm.h

#ifndef __PWM_H
#define __PWM_H
#include "sys.h"

void TIM1_PWM_Init(u16 arr,u16 psc);

#endif

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main.c

#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "pwm.h"
int main(void)
{
delay_init(); //延时函数初始化
//10k 7199
//20k 3599
//8k 8999
TIM1_PWM_Init(7199,0); //不分频。PA8输出PWM频率=72000K/(7199+1)=10Khz
while(1)
{
}
}

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定时器1的通道1对应的是PA8引脚，连接示波器可以测出波形

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将PA8与PA0相连接
这里利用PA8输出的PWM波形让PA0外部中断引脚测量。

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利用STM32的外部中断和定时器测量频率
我们知道在配置定时器时最重要的就是配置定时器的预分频系数和重装载值。
定时器的本质就是一个计数器，计数到我们设定的值后就会溢出，也就是重新从0开始开始计数。设置预分频系数就是设置计数器的频率，假设为71，F1的系统时钟为72M，经过72分频，给计数器的时钟频率就是1M,周期就是1/1M=1us。也是就1us计一个数。那么计几个数呢？这就要看重装载值ARR，这里我们设置为0XFFFF，也就是计数65536个数，就是计满整个寄存器的值。为什么要分频系数为72，重装载值为0XFFFF？这里给出详细的分析过程。

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为什么要分频系数为72
F1的系统时钟为72M，F1的系统时钟为72M，如果不分频的话，提供给定时器的时钟就直接是72MHZ。72MHz是个什么概念？72MHz它对应的周期就是(1/72000000)秒，也就是计数器从0计数到最大值65535，只需要花费(65535/72000000)秒≈1ms。这句话的意思就是如果你不分频，计数器最大只能定时1ms。那么你的定时器每隔1ms就会溢出一次。如果经过72分频，给计数器的时钟频率就是1M,周期就是1/1M=1us，也是就1us计一个数。换句话就是可以采样的波形频率为1M，提高了采样频率。另一方面也是容易计算，计一个数1us，计count个数就是count个us，频率就是1000 000/count（HZ）。

只看该作者 · 2023-10-28 01:15

为什么要重装载值为0XFFFF
最大采样间隔是跟定时器的中断间隔相关的，定时器产生溢出中断后计数值CNT会自动清0，定时器的中断间隔由分频系数Prescaler和自动重装载寄存器Period决定，分频系数前面已经确定，那最大采样间隔只需要考虑自动重装载寄存器Period的设置，比如频分析系数72-1，自动重装寄存器值65535，则中断间隔=65536/72000000/72=65.536ms，即最大采样间隔65.536ms，如果65.536ms内没有检测到一个脉冲，则这么设定间隔是不合理的，必须想办法牺牲最小的采样时间1us(扩大分频系数)或者扩大自动重装寄存器值(16位，<65535)来增加定时器中断间隔，也可以编写自己的应用函数来计算溢出的定时时间。

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一般来说我们使用外部中断是不需要用到定时器的，大家看原子和野火的外部中断实验也没有用到外部中断。但是我们现在不是利用外部中断简单的处理一件事，而是利用外部中断测量频率，而测频率就涉及到时间，而只要涉及到时间，就需要用到定时器了。测量外部信号的频率，就是测量PWM波对吧！如果我们测量到一个周期的时间，那么不就知道了信号的频率了吗？

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测量方案：在第一次外部中断(上升沿触发)到之时，开启定时器，同时计数器清零。然后等待第二次中断到来，在第二次外部中断(上升沿触发)到之时，获取计数器的计数值，关闭计数器。因为我们知道了计数器计数一个数的时间，所以我们到在第二次外部中断(上升沿触发)到之时，获取计数器的计数值，通过这个值就知道一个脉冲的时间周期。时间周期的倒数就是外部信号的频率。

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具体代码如下：

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0)!= RESET)
{
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);//清除EXTI0线路挂起位
if(CaptureNumber == 0)//第1次上升沿触发
{
TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);//使能定时器2
TIM_SetCounter(TIM2,0); //清零计数器的值，因为一开始就开始计数了
CaptureNumber++;
}
else if(CaptureNumber==1)//第2次上升沿触发
{
TimeCntValue = TIM_GetCounter(TIM2);
Capture = TimeCntValue;
CaptureNumber = 0;
TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);//使能定时器2
}
}
}

int main(void)
{
float x;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
delay_init();
uart_init(115200);
TIM2_Init();
TIM1_PWM_Init(7199,0); //不分频,输出PWM频率=72000K/(7199+1)=10Khz
EXTIA0_Init();
while(1)
{
printf("Fre=%.2f kHz\r\n",1000000/Capture);
delay_ms(1000);
}
}

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当然你可能觉得这只是测量信号的一个周期脉冲不够准确，那么也可以测量100次脉冲的时间再除以100，就是一个脉冲的时间，然后再取倒数就可以算出频率，这种方法也是可以的。具体代码如此：

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void EXTI0_IRQHandler(void)
{
if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0)!= RESET)
{
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);//清除EXTI0线路挂起位
if(CaptureNumber == 0)//第1次上升沿触发
{
TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);//使能定时器2
TIM_SetCounter(TIM2,0); //清零计数器的值，因为一开始就开始计数了
CaptureNumber++;
}
else if(CaptureNumber>0&& CaptureNumber<100)
{
TimeCntValue0 = TIM_GetCounter(TIM2);
CaptureNumber++;

}
else if(CaptureNumber==100)//第100次上升沿触发
{
TimeCntValue = TIM_GetCounter(TIM2);
Capture = TimeCntValue/100;
CaptureNumber = 0;
TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);//使能定时器2
}
}
}

int main(void)
{
float x;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
delay_init();
uart_init(115200);
TIM2_Init();
TIM1_PWM_Init(7199,0); //不分频,输出PWM频率=72000K/(7199+1)=10Khz
EXTIA0_Init();
while(1)
{
printf("Fre=%.2f kHz\r\n",1000000/Capture);
delay_ms(1000);
}
}

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程序流程图：

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串口打印结果：

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当然测量信号频率的方法我们直接利用TIM的输入捕获的方法就可以实现。用外部中断只是另外一个测量方案，具体用哪一种还要看具体情况。