3個思路教你使用STM32測量頻率和占空比

　　使用平臺：官方STM32F429DISCOVERY開發(fā)板，180MHz的主頻，定時器頻率90MHz。

　　相關題目：

　　(1)測量脈沖信號頻率f_O，頻率范圍為10Hz～2MHz，測量誤差的絕對值不大于0.1%。(15分)

　　(2)測量脈沖信號占空比D，測量范圍為10%～90%，測量誤差的絕對值不大于2%。(15分)

　　思路一：外部中斷

　　思路：這種方法是很容易想到的，而且對幾乎所有MCU都適用(連51都可以)。方法也很簡單，聲明一個計數(shù)變量TIM_cnt，每次一個上升沿/下降沿就進入一次中斷，對TIM_cnt++，然后定時統(tǒng)計即可。如果需要占空比，那么就另外用一個定時器統(tǒng)計上升沿、下降沿之間的時間即可。

　　缺點：缺陷顯而易見，當頻率提高，將會頻繁進入中斷，占用大量時間。而當頻率超過100kHz時，中斷程序時間甚至將超過脈沖周期，產(chǎn)生巨大誤差。同時更重要的是，想要測量的占空比由于受到中斷程序影響，誤差將越來越大。

　　總結:我們當時第一時間就把這個方案PASS了，沒有相關代碼(這個代碼也很簡單)。不過，該方法在頻率較低(10K以下)時，可以拿來測量頻率。在頻率更低的情況下，可以拿來測占空比。

　　思路二：PWM輸入模式

　　思路：翻遍ST的參考手冊，在定時器當中有這樣一種模式：

　　簡而言之，理論上，通過這種模式，可以用硬件直接測量出頻率和占空比。當時我們發(fā)現(xiàn)這一模式時歡欣鼓舞，以為可以一步解決這一問題。

　　但是，經(jīng)過測量之后發(fā)現(xiàn)這種方法測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定也不精確，數(shù)據(jù)不停跳動，且和實際值相差很大。ST的這些功能經(jīng)常有這種問題，比如定時器的編碼器模式，在0點處頻繁正負跳變時有可能會卡死。這些方法雖然省事，穩(wěn)定性卻不是很好。

　　經(jīng)過線性補償可以一定程度上減少誤差(參數(shù)在不同情況下不同)：

　　freq=Frequency*2.2118-47.05;

　　這種方法無法實現(xiàn)要求。所以在這里我并不推薦這種方法。如果有誰能夠有較好的程序，也歡迎發(fā)出來。

　　思路三：輸入捕獲

　　思路：一般來說，對STM32有一定了解的壇友們在測量頻率的問題上往往都會想到利用輸入捕獲。

　　首先設定為上升沿觸發(fā)，當進入中斷之后(rising)記錄與上次中斷(rising_last)之間的間隔(周期，其倒數(shù)就是頻率)。

　　再設定為下降沿，進入中斷之后與上升沿時刻之差即為高電平時間(falling-rising_last)，高電平時間除周期即為占空比。

　　該方法尤其是在中低頻(<100kHz)之下精度不錯。

　　缺點：稍有經(jīng)驗的朋友們應該都能看出來，該方法仍然會帶來極高的中斷頻率。在高頻之下，首先是CPU時間被完全占用，此外，更重要的是，中斷程序時間過長往往導致會錯過一次或多次中斷信號，表現(xiàn)就是測量值在實際值、實際值×2、實際值×3等之間跳動。實測中，最高頻率可以測到約400kHz。

　　總結：該方法在低頻率(<100kHz)下有著很好的精度，在考慮到其它程序的情況下，建議在10kHz之下使用該方法。同時，可以參考以下的改進程序減少CPU負載。

　　改進：前述問題，限制頻率提高的主要因素是過長的中斷時間(一般應用情景之下，還有其它程序部分的限制)。

　　所以進行以下改進：

　　1.使用2個通道，一個只測量上升沿，另一個只測量下降沿。這樣可以減少切換觸發(fā)邊沿的延遲，缺點是多用了一個IO口。

　　2.使用寄存器，簡化程序

　　之所以改用TIM2是因為TIM5的CH1(PA0)還是按鍵輸入引腳。本來想來這應當也沒什么，按鍵不按下不就是開路嘛。

　　所以，當使用別人的程序之前，請一定仔細查看電路圖。

　　這樣，最高頻率能夠達到約1.1MHz，是一個不小的進步。但是，其根本問題——中斷太頻繁——仍然存在。

　　解決思路也是存在的。本質上，我們實際上只需要讀取CCR1和CCR2寄存器。而在內存復制過程中，面對大數(shù)據(jù)量的轉移時，我們會想到什么?

　　顯然，我們很容易想到——利用DMA。所以，我們使用輸入捕獲事件觸發(fā)DMA來搬運寄存器而非觸發(fā)中斷即可，然后將這些數(shù)據(jù)存放在一個數(shù)組當中并循環(huán)刷新。

　　這樣，我們可以隨時來查看數(shù)據(jù)并計算出頻率。

　　大神在回復中提出了幾個改進意見，列出如下：

　　1.可以設定僅有通道2進行下降沿捕獲并觸發(fā)中斷，而通道1捕獲上升沿不觸發(fā)中斷。在中斷函數(shù)當中，一次讀取CCR1和CCR2。這樣可以節(jié)省大量時間。

　　2.可以先進行一次測量，根據(jù)測量值改變預分頻值PSC，從而提高精度

　　3.間隔采樣。例如每100ms采樣10ms.

　　這樣的改進應當能夠將最高采樣頻率增加到2M.但是頻率的進一步提高仍然不可能。

　　因為這時的主要矛盾是中斷函數(shù)時間過長，導致CPU還在處理中斷的時候這一次周期就結束了，使得最終測量到的頻率為真實頻率的整數(shù)倍左右。示意圖如下：

　　因此，高頻時仍然推薦以下方法。

　　綜上，對這幾種方法做一個總結：

　　外部中斷：編寫容易，通用性強。缺點是中斷進入頻繁，誤差大。

　　PWM輸入：全硬件完成，CPU負載小，編寫容易。缺點是不穩(wěn)定，誤差大。

　　輸入捕獲：可達到約400kHz。低頻精度高，10Hz可達到0.01%以下，400kHz也有3%。缺點是中斷頻繁，無法測量高頻，幅值必須在3.3~5V之間。