最強 PWM 輸入原理解析貼

上一篇文章《領(lǐng)悟最強 PWM 捕獲功能，1 MHz 》魚鷹介紹了最強 PWM 一些基本特性，今天魚鷹從原理上介紹如何實現(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 （有些型號可以）無法使用 TIM 同時捕獲上升沿和下降沿。你在庫里面看到的宏其實在使用時受到了限制，高級定時器1、8，通用定時器2、3、4、5都不行，而一般103 就只帶這些定時器。

3、高頻信號輸入時，中斷進入很頻繁，如果是 100 K 頻率，你需要 5 us 進入一次（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（清標志、計算、翻轉(zhuǎn)極性等），同時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、頻率都將計算出錯。正因為有如上問題，而捕獲 PWM 脈沖又是比較常見的功能，所以需要一個高效的捕獲程序完成該工作。而魚鷹今天介紹的實現(xiàn)原理我認為就是最高效的。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?？赡苡行┤藭Ц?，說，干嘛不使用 FPGA。魚鷹當然知道有比單片機更有效的捕獲器件，因為我自己買的邏輯分析儀（想買這個的可以找魚鷹預定，可以給一定的優(yōu)惠，預定人數(shù)需要10個以上）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，就是利用二進制溢出特性實現(xiàn)的。（2038問題-動圖）

這個特性魚鷹在筆記中也多次介紹了其中的應(yīng)用，比如無鎖隊列、擴展定時器、編碼器、延時等，今天就再加一個應(yīng)用，PWM 捕獲（本篇筆記不介紹這個特性原理，可以看歷史相關(guān)筆記）?？梢哉f理解了這個特性，在各種整型數(shù)據(jù)處理中如虎添翼，再也不擔心數(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。首先我們看看定時器的構(gòu)成框圖：

上面標注部分就是為什么 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，兩個捕獲通道同時捕獲 TI1 為例說明?；九渲萌缦拢?/p>

1. 捕獲通道 1 觸發(fā) DMA，同時設(shè)置捕獲上升沿，這樣，只要上升沿觸發(fā)了，可以自動完成捕獲并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)地址不是某一個寄存器，而是 DMAR，同時設(shè)置傳輸數(shù)量，這一定是 2 的倍數(shù)，因為一次需要傳輸兩次，32 位寬度。因為需要傳輸兩次 CCRx，所以需要正確設(shè)置 DCR 寄存器。

以上配置就是整個功能最為關(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 捕獲時基本工作過程：

另外還需要了解 TIM 一個很重要的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，這個特性在這個功能中也被用上了。

如何利用這個功能呢？一般我們配置 DMA 傳輸時，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)時傳輸一個寄存器的值，如果需要把兩次捕獲值都傳輸，那么就需要配置兩個 DMA 通道完成，但這里又涉及到了兩個 DMA 通道同步的問題，因為你肯定希望每次采集的兩個數(shù)據(jù)都屬于同一個脈沖。所以 TIM 用了這兩個寄存器解決這個問題，通過 DMAR 中轉(zhuǎn)，就可以完成一次觸發(fā)，連續(xù)傳輸兩個 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（定時器、DMA、GPIO）完成后，定時器就準備好工作了，一旦有一個脈沖輸入，上升沿觸發(fā)，此時因為設(shè)置了 DMA 觸發(fā)，同時設(shè)置了連續(xù)傳輸兩個寄存器，所以它會把當前的 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的計數(shù)器會遞減兩次。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，定時器不可以產(chǎn)生溢出現(xiàn)象，這可以通過定時器分頻實現(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)進行簡單平均或中值計算（具體根據(jù)捕獲值來確定），這樣準確度更高一些，因為剛開始可能因為初始化的緣故，導致意外捕獲，這是可能的（剛開始不確定可以測個 64 組再說）。另外如果輸入 PWM 頻率或占空比會不斷變化，也需要根據(jù)情況多測幾組（或定時測），并進行簡單處理，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，魚鷹只是提供一個解決思路。另外魚鷹不準備提供源碼給各位道友，自由發(fā)揮吧。如果確實有需要的話，在本篇文章更新前的時間里，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【魚鷹談單片機】

作者：魚鷹Osprey（emOsprey）