最強(qiáng) PWM 輸入原理解析貼

上一篇文章《領(lǐng)悟最強(qiáng) PWM 捕獲功能，1 MHz 》魚鷹介紹了最強(qiáng) PWM 一些基本特性，今天魚鷹從原理上介紹如何實(shí)現(xiàn)該功能。

介紹之前，首先介紹一下 STM32F103 TIM 的一些相關(guān)特性：

1. 無法使用外部引腳中斷觸發(fā) DMA （有些型號(hào)可以）無法使用 TIM 同時(shí)捕獲上升沿和下降沿。你在庫里面看到的宏其實(shí)在使用時(shí)受到了限制，高級(jí)定時(shí)器1、8，通用定時(shí)器2、3、4、5都不行，而一般103 就只帶這些定時(shí)器。

3、高頻信號(hào)輸入時(shí)，中斷進(jìn)入很頻繁，如果是 100 K 頻率，你需要 5 us 進(jìn)入一次（高低電平各一次，還是在占空比為 50 % 情況下，其它占空比條件更為苛刻），如果采用中斷處理方式，你必須在中斷中完成很多操作（清標(biāo)志、計(jì)算、翻轉(zhuǎn)極性等），同時(shí)你需要保證這兩次中斷不能被全局中斷禁止，或者被高優(yōu)先級(jí)中斷打斷，否則，你得到的可能就不是一次脈沖的高電平了，這樣你的占空比、頻率都將計(jì)算出錯(cuò)。正因?yàn)橛腥缟蠁栴}，而捕獲 PWM 脈沖又是比較常見的功能，所以需要一個(gè)高效的捕獲程序完成該工作。而魚鷹今天介紹的實(shí)現(xiàn)原理我認(rèn)為就是最高效的。100K 頻率誤差 0%，占空比誤差1%！在嵌入式中，100 K 頻率已經(jīng)算比較高的了，當(dāng)然是在關(guān)注占空比情況下，如果只關(guān)注頻率，那么可測量的頻率將更高。可能有些人會(huì)抬杠，說，干嘛不使用 FPGA。魚鷹當(dāng)然知道有比單片機(jī)更有效的捕獲器件，因?yàn)槲易约嘿I的邏輯分析儀（想買這個(gè)的可以找魚鷹預(yù)定，可以給一定的優(yōu)惠，預(yù)定人數(shù)需要10個(gè)以上）就可以捕獲很高的頻率、精度，但問題在于成本，在于有必要嗎？這個(gè)邏輯分析儀可是幾百大洋啊。閑話不多說，魚鷹首先介紹一下該捕獲方法的基本原理。很簡單，就是利用二進(jìn)制溢出特性實(shí)現(xiàn)的。（2038問題-動(dòng)圖）

這個(gè)特性魚鷹在筆記中也多次介紹了其中的應(yīng)用，比如無鎖隊(duì)列、擴(kuò)展定時(shí)器、編碼器、延時(shí)等，今天就再加一個(gè)應(yīng)用，PWM 捕獲（本篇筆記不介紹這個(gè)特性原理，可以看歷史相關(guān)筆記）。可以說理解了這個(gè)特性，在各種整型數(shù)據(jù)處理中如虎添翼，再也不擔(dān)心數(shù)據(jù)溢出的問題，反而要利用該特性完成一些騷操作，比如今天 PWM 捕獲就是如此。另一個(gè)絕技就是使用 DMA 了，這是它高效可靠的原因。首先我們看看定時(shí)器的構(gòu)成框圖：

上面標(biāo)注部分就是為什么 PWM 輸入模式只能使用通道 1 或通道 2 的原因。這里我們以TI1作為PWM輸入，兩個(gè)捕獲通道同時(shí)捕獲 TI1 為例說明?；九渲萌缦拢?/p>

1. 捕獲通道 1 觸發(fā) DMA，同時(shí)設(shè)置捕獲上升沿，這樣，只要上升沿觸發(fā)了，可以自動(dòng)完成捕獲并DMA傳輸至用戶緩存。通道 2 下降沿捕獲，不觸發(fā) DMA。配置DMA，傳輸外設(shè)地址不是某一個(gè)寄存器，而是 DMAR，同時(shí)設(shè)置傳輸數(shù)量，這一定是 2 的倍數(shù)，因?yàn)橐淮涡枰獋鬏攦纱危?2 位寬度。因?yàn)樾枰獋鬏攦纱?CCRx，所以需要正確設(shè)置 DCR 寄存器。

以上配置就是整個(gè)功能最為關(guān)鍵的部分。如果你理解了下面介紹的捕獲原理，你自然知道為什么需要這么設(shè)置了。我們首先看看 PWM 捕獲時(shí)基本工作過程：

另外還需要了解 TIM 一個(gè)很重要的DMA 傳輸特性：通過配置寄存器，可以一次觸發(fā)，多次DMA連續(xù)傳輸，這個(gè)特性在這個(gè)功能中也被用上了。

如何利用這個(gè)功能呢？一般我們配置 DMA 傳輸時(shí)，比如串口，一般外設(shè)地址就是 DR 寄存器。而如果我們想傳輸 TIM 的捕獲值，我們可以設(shè)置成 CCR1 寄存器的地址。這樣也可以正常傳輸，但是只能在觸發(fā)時(shí)傳輸一個(gè)寄存器的值，如果需要把兩次捕獲值都傳輸，那么就需要配置兩個(gè) DMA 通道完成，但這里又涉及到了兩個(gè) DMA 通道同步的問題，因?yàn)槟憧隙ㄏＭ看尾杉膬蓚€(gè)數(shù)據(jù)都屬于同一個(gè)脈沖。所以 TIM 用了這兩個(gè)寄存器解決這個(gè)問題，通過 DMAR 中轉(zhuǎn)，就可以完成一次觸發(fā)，連續(xù)傳輸兩個(gè) CCR 的值。想必看到這里，你應(yīng)該大概知道該捕獲的原理是什么了。

這里魚鷹再結(jié)合上圖描述一下。初始化（定時(shí)器、DMA、GPIO）完成后，定時(shí)器就準(zhǔn)備好工作了，一旦有一個(gè)脈沖輸入，上升沿觸發(fā)，此時(shí)因?yàn)樵O(shè)置了 DMA 觸發(fā)，同時(shí)設(shè)置了連續(xù)傳輸兩個(gè)寄存器，所以它會(huì)把當(dāng)前的 CCR1 和上一次捕獲的 CCR2（下降沿觸發(fā)）傳輸?shù)接脩艟彺?，這是兩次 DMA 傳輸，所以DMA的計(jì)數(shù)器會(huì)遞減兩次。并且 CCR1 的值比 CCR2 的值大（不考慮溢出情況下，并且差值情況下，大小沒有意義）。這樣，上面的三次觸發(fā)，我們可以得到三組捕獲數(shù)據(jù)。

通過 (uint16_t)(CCR1 – CCR2)，我們可以得到低電平，而通過兩次CCR1 或者 CCR2 的差值，我們可以得到周期。這樣計(jì)算頻率和占空比就不是什么難事了。特別需要注意的是，三次上升沿捕獲期間，定時(shí)器不可以產(chǎn)生溢出現(xiàn)象，這可以通過定時(shí)器分頻實(shí)現(xiàn)。分頻系數(shù)越小，分辨率越高，但越容易溢出。

這里要注意的是，如果頻率比較高，建議多測量幾組數(shù)據(jù)，然后取后面幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單平均或中值計(jì)算（具體根據(jù)捕獲值來確定），這樣準(zhǔn)確度更高一些，因?yàn)閯傞_始可能因?yàn)槌跏蓟木壒?，?dǎo)致意外捕獲，這是可能的（剛開始不確定可以測個(gè) 64 組再說）。另外如果輸入 PWM 頻率或占空比會(huì)不斷變化，也需要根據(jù)情況多測幾組（或定時(shí)測），并進(jìn)行簡單處理，這樣不容易剛好捕獲到變化的脈沖，保證脈沖計(jì)算的可靠性。

總之，怎么去讓你的程序更加可靠就是各位道友的事情了，魚鷹只是提供一個(gè)解決思路。另外魚鷹不準(zhǔn)備提供源碼給各位道友，自由發(fā)揮吧。如果確實(shí)有需要的話，在本篇文章更新前的時(shí)間里，道友有過贊賞或者留言被置頂或轉(zhuǎn)發(fā)支持的情況，那么也可以主動(dòng)聯(lián)系魚鷹，魚鷹可以給一份參考程序，僅供參考。

來源：公眾號(hào)【魚鷹談單片機(jī)】

作者：魚鷹Osprey（emOsprey）