有人使用STM32G4系列的通用型TIMER基于捕獲功能對(duì)外來(lái)信號(hào)進(jìn)行周期及占空比的測(cè)量。他用TIM3產(chǎn)生頻率、占空比可調(diào)的PWM輸出做為被測(cè)信號(hào)。TIM4用來(lái)進(jìn)行頻率測(cè)量，工作在復(fù)位從模式，被測(cè)信號(hào)接到其通道2的輸入腳。然后經(jīng)內(nèi)部邊沿檢測(cè)和內(nèi)部濾波電路后，兵分兩路分別連接到IC1和IC2。顯然IC2使用直接輸入模式，IC1使用間接輸入模式，如下圖功能框圖示意。

但他發(fā)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí)，誤差就明顯變大了。當(dāng)然，他也知道，任何測(cè)量肯定是有極限的。他現(xiàn)在就是想知道，能否基于現(xiàn)有方案將測(cè)量極限拉高點(diǎn)。比方說(shuō)，他現(xiàn)在測(cè)量20KHz信號(hào)時(shí)就明顯誤差過(guò)大，導(dǎo)致測(cè)算結(jié)果難以采用。是否可以將可靠的測(cè)量結(jié)果提升到25KHz或更高呢。

我們不妨一起看看這個(gè)問(wèn)題。依然保持相同的測(cè)量方案，TIM4工作在復(fù)位從模式，TIM3輸出的被測(cè)信號(hào)連接到TIM4的CH2，然后兵分兩路連接都TIM4的IC1與IC2。

顯然，我們先要確定測(cè)量的計(jì)時(shí)起點(diǎn)?？梢圆捎肐C2的上沿捕獲事件作為測(cè)量起點(diǎn)，即進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)。也可以基于上沿觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生定時(shí)器復(fù)位導(dǎo)致的更新事件加觸發(fā)事件作為測(cè)量起點(diǎn)，我在下面就是使用后者來(lái)進(jìn)行測(cè)量并組織相應(yīng)代碼。

IC1的下降沿觸發(fā)捕獲，捕獲到的計(jì)數(shù)器值存放于變量Value_1stCap【結(jié)合上圖來(lái)看】。

IC2的上升沿作為TIM4的觸發(fā)復(fù)位信號(hào)，且基于上升沿事件進(jìn)行捕獲， 捕獲值存于Value_2ndCap。

從發(fā)生復(fù)位事件到發(fā)生第2次捕獲期間，對(duì)TIM4的更新事件次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，總的更新事件次數(shù)計(jì)為Total_Num_OvEvent。

從發(fā)生復(fù)位事件到發(fā)生第1次捕獲期間，對(duì)TIM4的更新事件次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，計(jì)為Front_Num_OvEvent。

現(xiàn)在使用STM32CubeMx進(jìn)行配置。重點(diǎn)關(guān)注TIM4的配置。TIM4的時(shí)基和捕獲配置參數(shù)如下：

結(jié)合上面配置我們不難看出，TIM4的溢出周期為20ms，TI2FP2作為TIM4的復(fù)位觸發(fā)信號(hào)，上沿觸發(fā)，同時(shí)IC2針對(duì)輸入信號(hào)的上沿進(jìn)行捕獲。IC1針對(duì)輸入信號(hào)的下沿進(jìn)行捕獲。

至于TIM3的配置沒(méi)啥特別的，就是產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)，在代碼里將調(diào)整其PSC分頻系數(shù)和ARR參數(shù)以及CCR參數(shù)，以改變其頻率和占空比。選擇其通道1做PWM輸出。下面測(cè)試中，TIM3輸出的PWM波形的占空比固定為40%。

另外，STM32G4的系統(tǒng)主頻配置為170MHz,使用HSE 時(shí)鐘源。開啟TIM4的中斷響應(yīng)使能。完成配置后創(chuàng)建工程。添加必要的用戶初始及啟動(dòng)代碼。

__IO uint32_t            Vaule_2ndCap = 0u;
__IO uint32_t            Vaule_1stCap = 0u;


__IO    float          Signal_Cycle= 0.0f;
__IO    float          Signal_Duty = 0.0f;
__IO    float          Signal_Freq = 0.0f;


__IO uint32_t Total_Num_OvEvent=0u;
__IO uint32_t Front_Num_OvEvent=0u;


__IO uint32_t  Num_OvEvent =0u ;
__IO uint32_t  Measure_State = 0u;


__IO uint32_t  Clk_Internal;




    __HAL_TIM_CLEAR_IT(&htim4, TIM_IT_UPDATE);
    __HAL_TIM_ENABLE_IT(&htim4, TIM_IT_UPDATE);  


    HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim4, TIM_CHANNEL_2); //enable IC1 interrupt of TIM4
    HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim4, TIM_CHANNEL_1); //enable IC2 interrupt of TIM4


  __HAL_TIM_CLEAR_IT(&htim4, TIM_IT_UPDATE);
  __HAL_TIM_CLEAR_IT(&htim4, TIM_IT_TRIGGER);//enable Update interrupt of TIM4

Clk_Internal=HAL_RCC_GetHCLKFreq();//170MHzforG4Series


  Measure_State = 0x00;  //initial state of Measuring
  Num_OvEvent = 0x00;    //initial value of update count of TIM4




  HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

TIM4事件的所有中斷共用同一個(gè)中斷矢量入口。為了盡可能地測(cè)得較高的信號(hào)頻率，中斷處理代碼盡量要簡(jiǎn)潔些，避免過(guò)多、過(guò)深的函數(shù)調(diào)用。

有關(guān)TIM4的捕獲中斷及更新中斷的處理代碼如下，包括IC1、IC2的捕獲中斷處理和更新中斷處理代碼，以及相關(guān)計(jì)算處理代碼。

void HAL_TIM4_PWM_Measure_IRQ(TIM_HandleTypeDef *htim)
{


if(__HAL_TIM_GET_FLAG(htim, TIM_FLAG_UPDATE) != RESET)
  {
      __HAL_TIM_CLEAR_IT(htim, TIM_IT_UPDATE);


if(__HAL_TIM_GET_FLAG(htim, TIM_FLAG_TRIGGER) != RESET)
      {
          __HAL_TIM_CLEAR_IT(htim, TIM_IT_TRIGGER);


if (Measure_State == 0)


          { 
            Num_OvEvent = 0;      // prepare count overflow events
            Measure_State = 0x01;   //start measurement
          }
         }


else
    {
if(Measure_State != 0)  
      {
       Num_OvEvent++;
      }  
    }
  }


/* Capture compare 1 event */
if(__HAL_TIM_GET_FLAG(htim, TIM_FLAG_CC1) != RESET)
  {


        __HAL_TIM_CLEAR_IT(htim, TIM_IT_CC1); 




if (Measure_State == 0x01)
          {    
            Front_Num_OvEvent = Num_OvEvent;
            Measure_State =0x02;
           }  


  }


/* Capture compare 2 event */
if(__HAL_TIM_GET_FLAG(htim, TIM_FLAG_CC2) != RESET)
{
      __HAL_TIM_CLEAR_IT(htim, TIM_IT_CC2);




if(Measure_State == 0x02)
        {
          Measure_State =0x03;
          Total_Num_OvEvent = Num_OvEvent;
           HAL_TIM4_IC_CaptureCallback(htim);      //go to calculate pulse width and duty


        }      


 } 




}


void HAL_TIM4_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{


/* Get the Input Capture value */
    Vaule_1stCap = TIM4->CCR1;//HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
    Vaule_2ndCap = TIM4->CCR2;//HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_2);




    Signal_Duty =(float)((Vaule_1stCap+(Front_Num_OvEvent*(TIM4_PERIOD+1)))*100u)/ 
      (float)(Vaule_2ndCap+(Total_Num_OvEvent*(TIM4_PERIOD+1)));    


//  Clk_Internal = HAL_RCC_GetHCLKFreq();


    Signal_Freq =(float)(Clk_Internal/(TIM4_PSC+1))/(float)((Vaule_2ndCap+(Total_Num_OvEvent*(TIM4_PERIOD+1))));
  Signal_Cycle = (float) (1.000f/Signal_Freq) ;




      Measure_State = 0x00;
      Num_OvEvent = 0x00;
    __HAL_TIM_CLEAR_IT(htim, TIM_IT_CC1); 
    __HAL_TIM_CLEAR_IT(htim, TIM_IT_CC2); 
    __HAL_TIM_CLEAR_IT(htim, TIM_IT_UPDATE);
    __HAL_TIM_CLEAR_IT(htim, TIM_IT_TRIGGER);

}

現(xiàn)在基于上面的配置及用戶代碼進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)TIM3輸出的待測(cè)信號(hào)頻率達(dá)到25KHz時(shí)，測(cè)得的頻率及占空比就發(fā)生了明顯的偏差。見下圖標(biāo)注問(wèn)號(hào)的第4欄信息。

即當(dāng)被測(cè)頻率為25KHz,占空比為40%時(shí)，測(cè)得結(jié)果是下面的樣子，明顯偏差過(guò)大。

如果說(shuō)被測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)一步提升的話，誤差會(huì)變得更大。那么，這種情形是否有改善機(jī)會(huì)呢？即在當(dāng)前的測(cè)試方案下，可準(zhǔn)確測(cè)量的被測(cè)信號(hào)頻率是否可以提高。

目前的中斷處理代碼應(yīng)該說(shuō)比較精簡(jiǎn)，沒(méi)有什么可以優(yōu)化的余地了。

聊到這里，有人可能發(fā)現(xiàn)了，我前面配置TIM4時(shí)，它是用來(lái)完成測(cè)量任務(wù)的，它的分頻系數(shù)PSC為169。即TIM4的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)鐘為1MHz，其計(jì)數(shù)分辨率為1us。不難理解，這個(gè)PSC系數(shù)應(yīng)該會(huì)直接影響TIM4的計(jì)數(shù)精度，按理會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果，尤其被測(cè)信號(hào)頻率較高時(shí)。

既然這樣，我們將TIM4的PSC系數(shù)改為0，并適當(dāng)調(diào)整其ARR值再來(lái)實(shí)施測(cè)量，看看結(jié)果會(huì)怎么樣。見下圖，TIM3輸出的信號(hào)頻率仍然是占空比為40% 、頻率為25KHz的PWM信號(hào)。測(cè)量結(jié)果顯著地明顯改善，應(yīng)該說(shuō)此時(shí)結(jié)果是可以接受的，畢竟浮點(diǎn)運(yùn)算也會(huì)帶來(lái)些偏差。

我們不妨在保持TIM3的PSC為0的條件下，將輸出頻率提升到50KHz、100KHz。繼續(xù)看看測(cè)量結(jié)果，見下圖：

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率提升到50KHz,測(cè)量結(jié)果仍然很好，完全可以采用。即使當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率提升到100KHz時(shí)，測(cè)量結(jié)果雖發(fā)生了一些偏差，但此時(shí)的偏差相比PSC=169、被測(cè)信號(hào)為25KHz時(shí)的測(cè)試結(jié)果還要好得多。我把二者單列出來(lái)一起比較，見下圖：

經(jīng)過(guò)上面的討論和驗(yàn)證，我們知道，在使用TIMER做信號(hào)的頻率及占空比的測(cè)量時(shí)，當(dāng)確定好測(cè)試方案后，為了盡可能地提升可以準(zhǔn)確測(cè)試信號(hào)的頻率，一方面代碼要盡可能精簡(jiǎn)、優(yōu)化，另一方面，因測(cè)試TIMER的分頻系數(shù)會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的精度及準(zhǔn)確性，此時(shí)測(cè)試TIMER的分頻系數(shù)要盡可能設(shè)置小、或不做分頻，這點(diǎn)結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)定。

關(guān)于上面的的話題，其實(shí)還可以有很多繼續(xù)延伸的空間，因時(shí)間和篇幅問(wèn)題，就先聊到這里。有興趣的話，可以基于上面配置和分享的參考源碼做些快速測(cè)試驗(yàn)證，也歡迎進(jìn)一步地討論交流。

審核編輯：湯梓紅