基于STM32 CubeMX 配置 PWM输出和输入捕获

PWM输出和输入捕获

1、试验目标

　　1.输出2路PWM脉冲信号

　　2.捕获1路PWM脉冲信号

　　本次试验会使用到2个定时器，一个高级定时器用于脉冲捕获，一个普通定时器用于PWM脉冲输出。

2、准备材料

　　1. STM32F103C8

　　2. STM32CubeMX

2、STM32CubeMX配置

　　2.1时钟树

　　　　系统时钟为72M，APB1 和APB2 的定时器时钟都为72MHZ。

　　2.2 PWM输出配置

　　PWM的输出配置比较简单，这里我们使用到了TIM2普通定时器控制输出，具体参数如下图。

 

　　 在 Parameter Settings 页配置预分频系数为 72-1，计数周期(自动加载值)为 10000-1，定时器溢出频率，即PWM的周期，就是 72MHz/(71+1)/(9999+1) = 100Hz

　　2.3 PWM输入捕获配置

　　PWM捕获，本次试验使用到了STM32F103C8的高级定时器TIM1。配置如下图。

 中断配置勾线这里，因为我们需要使用中断回调函数来计算频率占空比。

　　2.4 配置中断分组和中断使能

2.5串口输出

2.6生成工程

　　这里选择分离C.h文件，IDE 根据自己的环境选择，这里我使用的GUN编译方式的IDE所以选择了SW4SEM32。

 以上CubeMX的PWM配置就完成了。

配置完毕后，生成工程打开。下面我们来分析代码和如何使用。

3、代码实现

　　3.1 tim.c

　　　　该代码主要配置了Tim1 和Tim2 的相关配置，为什么要这么配置，在接下来的第4大点会详细说明。这里主要了解 HAL_TIM_IC_CaptureCallback  捕获中断回调函数

这里函数主要处理计算占空比和频率。

/**
  ******************************************************************************
  * @file    tim.c
  * @brief   This file provides code for the configuration
  *          of the TIM instances.
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * <h2><center>© Copyright (c) 2021 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.</center></h2>
  *
  * This software component is licensed by ST under BSD 3-Clause license,
  * the "License"; You may not use this file except in compliance with the
  * License. You may obtain a copy of the License at:
  *                        opensource.org/licenses/BSD-3-Clause
  *
  ******************************************************************************
  */

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "tim.h"

/* USER CODE BEGIN 0 */
/// 计算占空比时使用
__IO uint16_t IC2Value = 0;
__IO uint16_t IC1Value = 0;
__IO float DutyCycle = 0;
__IO float Frequency = 0;
/* USER CODE END 0 */

TIM_HandleTypeDef htim1; // 高级定时器捕获PWM
TIM_HandleTypeDef htim2; // 普通定时器输出PWM

/* TIM1 init function */
void MX_TIM1_Init(void)
{
  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  TIM_SlaveConfigTypeDef sSlaveConfig = {0};
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
  TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC = {0};

  htim1.Instance = TIM1;

  htim1.Init.Prescaler = 72-1;
  htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;                  /* 计数方式 上计数 */
  htim1.Init.Period = 65535;                                    /* 计数器更新上限值         */
  htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;            /* 采样时钟分频 */
  htim1.Init.RepetitionCounter = 0;                             /* 重装值=0 */
  htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE; /* 自动装载值软件使能 */
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim1) != HAL_OK)                      /* 初始定时器 */
  {
    Error_Handler();
  }
  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;     /* 内部时钟源 */
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim1, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  if (HAL_TIM_IC_Init(&htim1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  ///选择从模式: 复位模式
  sSlaveConfig.SlaveMode = TIM_SLAVEMODE_RESET;
  sSlaveConfig.InputTrigger = TIM_TS_TI1FP1;                           /* 选择定时器输入触发: TI1FP1 */
  sSlaveConfig.TriggerPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;
  sSlaveConfig.TriggerFilter = 0;
  if (HAL_TIM_SlaveConfigSynchro(&htim1, &sSlaveConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
    ///IC1捕获 上升沿触发 TI1FP1
  sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;
  sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;
  sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
  sConfigIC.ICFilter = 0;
  if (HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim1, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  ///IC2捕获 下降沿捕获 TI1FP2
  sConfigIC.ICPolarity = TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING;
  sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_INDIRECTTI;
  if (HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim1, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

}
/* TIM2 init function */
void MX_TIM2_Init(void)
{
  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
  TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

  htim2.Instance = TIM2;
    /**   htim2.Init.Prescaler 分频计算
 * 定时器时钟源TIMxCLK = 2 * PCLK1
 * 				PCLK1 = HCLK / 2
 * 				=> TIMxCLK = HCLK/2 = SystemCoreClock / 2 *2=72MHz     (APB1)
 * 设定定时器频率为=TIMxCLK/(TIM_Prescaler+1)=10KHz
 * */
  htim2.Init.Prescaler = 72-1;
  htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;                  /* 计数方式上升沿有效       */
  htim2.Init.Period = 10000-1;                                  /* 累计 TIM_Period个后产生一个更新或者中断 当定时器从0计数到10000，即为10000次，为一个定时周期*/
  htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;    /* 内部时钟源 */
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  ///PWM模式配置
  sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;                       /* 配置为PWM模式1*/
  sConfigOC.Pulse = 5000;                                   /* 默认占空比为50%*/
  sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;               /* 当定时器计数值小于CCR1_Val时为高电平*/
  sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
  if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)   /* 配置PWM通道*/
  {
    Error_Handler();
  }
  if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim2, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  HAL_TIM_MspPostInit(&htim2);                             /* 外置GPIO初始化 */

}

void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef* tim_baseHandle)
{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(tim_baseHandle->Instance==TIM1)
  {
  /* USER CODE BEGIN TIM1_MspInit 0 */

  /* USER CODE END TIM1_MspInit 0 */
    /* TIM1 clock enable */
    __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();         /*定时器时钟使能*/

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();       /*GPIO时钟使能*/
    /**TIM1 GPIO Configuration
    PA8     ------> TIM1_CH1
    */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8;               /* 36脚的F103 不能改变引脚编号*/
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;         /* 输入模式*/
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;             /* 无上下拉*/
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    /* TIM1 interrupt Init */
    HAL_NVIC_SetPriority(TIM1_CC_IRQn, 0, 0);   /* 配置中断分组*/
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM1_CC_IRQn);                                     /* 使能中断*/
  /* USER CODE BEGIN TIM1_MspInit 1 */

  /* USER CODE END TIM1_MspInit 1 */
  }
  else if(tim_baseHandle->Instance==TIM2)
  {
  /* USER CODE BEGIN TIM2_MspInit 0 */

  /* USER CODE END TIM2_MspInit 0 */
    /* TIM2 clock enable */
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
  /* USER CODE BEGIN TIM2_MspInit 1 */

  /* USER CODE END TIM2_MspInit 1 */
  }
}
void HAL_TIM_MspPostInit(TIM_HandleTypeDef* timHandle)
{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
  if(timHandle->Instance==TIM2)
  {
  /* USER CODE BEGIN TIM2_MspPostInit 0 */

  /* USER CODE END TIM2_MspPostInit 0 */

    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    /**TIM2 GPIO Configuration
    PA0-WKUP     ------> TIM2_CH1
    PA1     ------> TIM2_CH2
    */
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_1;        /* 这里定义了2路PMW输出 用PA0 和PA1*/
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  /* USER CODE BEGIN TIM2_MspPostInit 1 */

  /* USER CODE END TIM2_MspPostInit 1 */
  }

}

void HAL_TIM_Base_MspDeInit(TIM_HandleTypeDef* tim_baseHandle)
{

  if(tim_baseHandle->Instance==TIM1)
  {
  /* USER CODE BEGIN TIM1_MspDeInit 0 */

  /* USER CODE END TIM1_MspDeInit 0 */
    /* Peripheral clock disable */
    __HAL_RCC_TIM1_CLK_DISABLE();

    /**TIM1 GPIO Configuration
    PA8     ------> TIM1_CH1
    */
    HAL_GPIO_DeInit(GPIOA, GPIO_PIN_8);

    /* TIM1 interrupt Deinit */
    HAL_NVIC_DisableIRQ(TIM1_CC_IRQn);
  /* USER CODE BEGIN TIM1_MspDeInit 1 */

  /* USER CODE END TIM1_MspDeInit 1 */
  }
  else if(tim_baseHandle->Instance==TIM2)
  {
  /* USER CODE BEGIN TIM2_MspDeInit 0 */

  /* USER CODE END TIM2_MspDeInit 0 */
    /* Peripheral clock disable */
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_DISABLE();
  /* USER CODE BEGIN TIM2_MspDeInit 1 */

  /* USER CODE END TIM2_MspDeInit 1 */
  }
}

/* USER CODE BEGIN 1 */
/**
  * @brief  Conversion complete callback in non blocking mode  捕获回调函数
  * @param  htim : hadc handle
  * @retval None
  */
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
    {
        /* 获取输入捕获值 */
        IC1Value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim1,TIM_CHANNEL_1);
        IC2Value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim1,TIM_CHANNEL_2);
        if (IC1Value != 0)
        {
            /* 占空比计算 */
            DutyCycle = (float)((IC2Value+1) * 100) / (IC1Value+1);
            /* 频率计算 */
            Frequency = 72000000/72/(float)(IC1Value+1);
        }
        else
        {
            DutyCycle = 0;
            Frequency = 0;
        }

    }
}
/* USER CODE END 1 */

/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/

3.2 main.c

　用于计算的变量

//计算占空比时的全局表变量
extern __IO uint16_t IC2Value;
extern __IO uint16_t IC1Value;
extern __IO float DutyCycle;
extern __IO float Frequency;

　使能和输出PWM

    /// 使能捕获/比较2中断请求
    HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim1,TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim1,TIM_CHANNEL_2);

    /// 开始输出PWM
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_2);

　　打印调试输出

  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    printSwo("IC1Value =",IC1Value,LINE_FEED_EN);
    printSwo("IC2Value =",IC2Value,LINE_FEED_EN);
    printSwo("占空比:",DutyCycle,LINE_FEED_EN);
    printSwo("频率:",Frequency,LINE_FEED_EN);
    HAL_Delay(500);
  }

　　

3.3 输出结果

短接任意一路输出  PA0与PA8  PWM输出与捕获，或 PA1与PA8  PWM输出与捕获。

4、分析总结

4.1输入捕获相关硬件信号知识

　　脉冲信号从外部进来需要经过6个步骤。功能图如下图所示。

　　　　第1；确认通道；

　　　　　　脉冲进来时需要确定是从哪个定时器的通道进来的，通常这个通道的叫法为TI1/2/3/4。这里我选择了高级定时器1的TI1 和TI2，

　　　　　　对应的引脚是默认引脚是PA8 输入捕获，F103C8支持重映像，即不能使用其它引脚代替。

　　　　　　

　　　　第2；滤波器与边沿检测器;

　　　　　　　信号进来后为了避免干扰，就需要进行滤波。当前一个高电平信号过来，假设采样速度为1M的速度进行计算，如果滤波系数设置为4，

　　　　　　　那么高电平信号需要维持连续维持4us的高电平，才计数为一个高电平。边沿检测器用来设置信号在捕获的时候是什么边沿有效，可以

　　　　　　　是上升沿，下降沿，或者是双边沿。

　　　　第3；捕获通道；

　　　　　　　　是指图中的IC1/2/3/4，每个捕获通道都有相对应的捕获寄存器CCR1/2/3/4，当发生捕获的时候，计数器CNT 的值就会被锁存到捕

　　　　　　　　获寄存器中。

　　　　第4；预分频；

　　　　　　　　捕获的信号会经过一个预分频器，比如2次上升沿算为一次计数。本次试验设定为0，即不分频。

　　　　第5；捕获/比较寄存器；

　　　　　　　　经过预分频器的信号ICxPS 是最终被捕获的信号，当发生捕获时（第一次），计数器CNT 的值会被锁存到捕获寄存器CCR 中，还会产生CCxI 中断，

　　　　　　相应的中断位CCxIF（在SR 寄存器中）会被置位，通过软件或者读取CCR 中的值可以将CCxIF 清0。如果发生第二次捕获（即重复捕获：CCR 寄存

　　　　　　器中已捕获到计数器值且 CCxIF 标志已置 1），则捕获溢出标志位CCxOF（在SR 寄存器中）会被置位，CCxOF 只能通过软件清零。

　　　　　　　　输出比较就是通过定时器的外部引脚对外输出控制信号，有冻结、将通道X（x=1,2,3,4）设置为匹配时输出有效电平、将通道X 设置为匹配时输出无

　　　　　　效电平、翻转、强制变为无效电平、强制变为有效电平、PWM1 和PWM2 这八种模式。电机控制很常用，这里不展开讨论。

　　4.2 PWM输入模式

　　　　大概了解上述小点后，这里说明我们本次测试使用到的PWM输入模式，它是最便捷的测量脉宽和频率的方法。当使用PWM 输入模式的时候，因为一个输入通道

　　　　(TIx)会占用两个捕获通道(ICx)，所以一个定时器在使用PWM输入的时候最多只能使用两个输入通道(TIx)。本次试验就是使用TIM1的CH1 和CH2。

　　　　工作原理是这样的：

　　　　　　PWM 信号由输入通道TI1 进入，因为是PWM 输入模式的缘故，信号会被分为两路，一路是TI1FP1，另外一路是TI2FP2。其中一路是周期，另一路是占空比，

　　　　具体哪一路信号对应周期还是占空比，得从程序上设置哪一路信号作为触发输入，作为触发输入的哪一路信号对应的就是周期，另一路就是对应占空比。作为触发

　　　　输入的那一路信号还需要设置极性，是上升沿还是下降沿捕获，一旦设置好触发输入的极性，另外一路硬件就会自动配置为相反的极性捕获，无需软件配置。一句

　　　　话概括就是：选定输入通道，确定触发信号，然后设置触发信号的极性即可，因为是PWM 输入的缘故，另一路信号则由硬件配置，无需软件配置。

　　　　　　当使用PWM 输入模式的时候必须将从模式控制器配置为复位模式（配置寄存器SMCR 的位SMS[2:0]来实现），即当我们启动触发信号开始进行捕获的时候，

　　　　同时把计数器CNT 复位清零。所以我们在STM32CubeMX中要勾选为复位模式。下图参考手册的时序图

                        

　　4.3 PWM输出模式

　　　　PWM 输出就是对外输出脉宽（即占空比）可调的方波信号，信号频率由自动重装寄存器ARR 的值决定，占空比由比较寄存器CCR 的值决定。

　　PWM 模式分为两种，PWM1 和PWM2。下图的表格展示区别。

 　　　　

　　　　本次试验使用的 PWM1 模式递增计数模式，计数器从0 计数到自动重载值（TIMx_ARR 寄存器的内容），然后重新从0 开始计数并生成计数器上溢事件。

　　回到2.2小点的PWM配置图

　　　　 配置预分频系数为 72-1，计数周期(自动加载值)为 10000-1，定时器溢出频率，即PWM的周期，就是

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　72MHz/(71+1)/(9999+1) = 100Hz

　　　　输出频率：

　　　　　　　　　　　　　　　　arr = 计数器值  　　psc = 预分频值

　　　　　　　　　　　　　　　　Fpwm =Tclk / ((arr+1)*(psc+1))(单位：Hz)
　　　　输出占空比：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　duty circle = TIMx->CCRx / arr(单位：%)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　TIMx->CCRx 用户设定值
　　　　比如: 定时器频率Tclk = 72Mhz arr=10000   psc=71    那么PWM频率就是720000/10000/72= 100Hz
　　　　　　　　　　　　　　　　　 arr=10000,    TIMx->CCRx=5000     则pwm的占空比为50%
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　CCRx的值影响占空比，arr的值影响频率

参考资料：STM32中文参考手册V10

　　　　 【野火】《STM32 HAL 库开发实战指南—基于F103指南者》