如何使用STM32测量频率和占空比？掌握这三个思路就够了！

查看全部 · 发表于 2018-12-13 23:28:48

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题目（1）测量脉冲信号频率fo，频率范围为10Hz～2MHz，测量误差的绝对值不大于0.1%。
（2）测量脉冲信号占空比D，测量范围为10%～90%，测量误差的绝对值不大于2%。
使用官方STM32F429 Discovery开发板，主频180MHz，定时器频率90MHz。

思路一、外部中断这种方法是很容易想到的，而且对几乎所有MCU都适用（连51都可以）。方法也很简单，声明一个计数变量TIM_cnt，每次一个上升沿/下降沿就进入一次中断，对TIM_cnt++，然后定时统计即可。如果需要占空比，那么就另外用一个定时器统计上升沿、下降沿之间的时间即可。

缺陷显而易见，当频率提高，将会频繁进入中断，占用大量时间。而当频率超过100kHz时，中断程序时间甚至将超过脉冲周期，产生巨大误差。同时更重要的是，想要测量的占空比由于受到中断程序影响，误差将越来越大。

笔者当时第一时间就把这个方案PASS了，没有相关代码（这个代码也很简单）。不过，该方法在频率较低（10kHz以下）时，可以拿来测量频率。在频率更低的情况下，可以拿来测占空比。

思路二、PWM输入模式

翻遍ST的参考手册，在定时器当中有这样一种模式：

简而言之，理论上，通过这种模式，可以用硬件直接测量出频率和占空比。当时我们发现这一模式时欢欣鼓舞，以为可以一步解决这一问题。

但是，经过测量之后发现这种方法测试数据不稳定也不精确，数据不停跳动，且和实际值相差很大。ST的这些功能经常有这种问题，比如定时器的编码器模式，在0点处频繁正负跳变时有可能会卡死。这些方法虽然省事，稳定性却不是很好。

经过线性补偿可以一定程度上减少误差（参数在不同情况下不同）：

freq=Frequency×2.2118－47.05

这种方法无法实现要求。所以在这里笔者并不推荐这种方法。

思路三、输入捕获

一般来说，对STM32有一定了解的人在测量频率的问题上往往都会想到利用输入捕获。

首先设定为上升沿触发，当进入中断之后（rising）记录与上次中断（rising_last）之间的间隔——周期，其倒数就是频率。

再设定为下降沿，进入中断之后与上升沿时刻之差即为高电平时间（falling-rising_last），高电平时间除周期即为占空比。

该方法尤其是在中低频（<100kHz）之下精度不错。

缺点是该方法仍然会带来极高的中断频率。在高频之下，首先是CPU时间被完全占用，此外，更重要的是，中断程序时间过长往往导致会错过一次或多次中断信号，表现就是测量值在实际值、实际值×2、实际值×3等之间跳动。实测中，最高频率可以测到约400kHz。

该方法在低频率(<100kHz)下有着很好的精度，在考虑到其它程序的情况下，建议在10kHz之下使用该方法。同时，可以参考以下的改进程序减少CPU负载。

改进方案前述问题，限制频率提高的主要因素是过长的中断时间，一般应用情景之下，还有其它程序部分的限制。所以需要进行改进。

方案一1.使用2个通道，一个只测量上升沿，另一个只测量下降沿。这样可以减少切换触发边沿的延迟，缺点是多用了一个IO口。

2.使用寄存器，简化程序

之所以改用TIM2是因为TIM5的CH1(PA0)还是按键输入引脚。本来想来这应当也没什么，按键不按下不就是开路嘛。所以，当使用别人的程序之前，请一定仔细查看电路图。

这样，最高频率能够达到约1.1MHz，是一个不小的进步。但是，其根本问题，中断太频繁，仍然存在。

解决思路也是存在的。本质上，实际只需要读取CCR1和CCR2寄存器。而在内存复制过程中，面对大数据量的转移时，会想到什么？

显然，很容易想到——利用DMA。所以，笔者使用输入捕获事件触发DMA来搬运寄存器而非触发中断即可，然后将这些数据存放在一个数组当中并循环刷新。这样，可以随时来查看数据并计算出频率。

方案二1.可以设定仅有通道2进行下降沿捕获并触发中断，而通道1捕获上升沿不触发中断。在中断函数当中，一次读取CCR1和CCR2。这样可以节省大量时间。

2.可以先进行一次测量，根据测量值改变预分频值PSC，从而提高精度

3.间隔采样。例如每100ms采样10ms.

这样的改进应当能够将最高采样频率增加到2M.但是频率的进一步提高仍然不可能。

因为这时的主要矛盾是中断函数时间过长，导致CPU还在处理中断的时候这一次周期就结束了，使得最终测量到的频率为真实频率的整数倍左右。示意图如下：

结语外部中断：编写容易，通用性强。缺点是中断进入频繁，误差大。
PWM输入：全硬件完成，CPU负载小，编写容易。缺点是不稳定，误差大。
输入捕获：可达到约400kHz。低频精度高，10kHz可达到0.01%以下，400kHz也有3%。缺点是中断频繁，无法测量高频，幅值必须在3.3~5V之间。

如何使用STM32测量频率和占空比？掌握这三个思路就够了！

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