3個(gè)思路教你使用STM32測(cè)量頻率和占空比

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

　　相關(guān)題目：

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

　　(2)測(cè)量脈沖信號(hào)占空比D，測(cè)量范圍為10%～90%，測(cè)量誤差的絕對(duì)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(duì)幾乎所有MCU都適用(連51都可以)。方法也很簡(jiǎn)單，聲明一個(gè)計(jì)數(shù)變量TIM_cnt，每次一個(gè)上升沿/下降沿就進(jìn)入一次中斷，對(duì)TIM_cnt++，然后定時(shí)統(tǒng)計(jì)即可。如果需要占空比，那么就另外用一個(gè)定時(shí)器統(tǒng)計(jì)上升沿、下降沿之間的時(shí)間即可。

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

　　總結(jié):我們當(dāng)時(shí)第一時(shí)間就把這個(gè)方案PASS了，沒有相關(guān)代碼(這個(gè)代碼也很簡(jiǎn)單)。不過，該方法在頻率較低(10K以下)時(shí)，可以拿來測(cè)量頻率。在頻率更低的情況下，可以拿來測(cè)占空比。

　　思路二：PWM輸入模式

　　思路：翻遍ST的參考手冊(cè)，在定時(shí)器當(dāng)中有這樣一種模式：

　　簡(jiǎn)而言之，理論上，通過這種模式，可以用硬件直接測(cè)量出頻率和占空比。當(dāng)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)這一模式時(shí)歡欣鼓舞，以為可以一步解決這一問題。

　　但是，經(jīng)過測(cè)量之后發(fā)現(xiàn)這種方法測(cè)試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定也不精確，數(shù)據(jù)不停跳動(dòng)，且和實(shí)際值相差很大。ST的這些功能經(jīng)常有這種問題，比如定時(shí)器的編碼器模式，在0點(diǎn)處頻繁正負(fù)跳變時(shí)有可能會(huì)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(bǔ)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(shí)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(duì)STM32有一定了解的壇友們?cè)跍y(cè)量頻率的問題上往往都會(huì)想到利用輸入捕獲。

　　首先設(shè)定為上升沿觸發(fā)，當(dāng)進(jìn)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(shè)定為下降沿，進(jìn)入中斷之后與上升沿時(shí)刻之差即為高電平時(shí)間(falling-rising_last)，高電平時(shí)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(cuò)。

　　缺點(diǎn)：稍有經(jīng)驗(yàn)的朋友們應(yīng)該都能看出來，該方法仍然會(huì)帶來極高的中斷頻率。在高頻之下，首先是CPU時(shí)間被完全占用，此外，更重要的是，中斷程序時(shí)間過長(zhǎng)往往導(dǎo)致會(huì)錯(cuò)過一次或多次中斷信號(hào)，表現(xiàn)就是測(cè)量值在實(shí)際值、實(shí)際值×2、實(shí)際值×3等之間跳動(dòng)。實(shí)測(cè)中，最高頻率可以測(cè)到約400kHz。

　　總結(jié)：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(shí)，可以參考以下的改進(jìn)程序減少CPU負(fù)載。

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

　　所以進(jìn)行以下改進(jìn)：

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

　　2.使用寄存器，簡(jiǎn)化程序

　　之所以改用TIM2是因?yàn)門IM5的CH1(PA0)還是按鍵輸入引腳。本來想來這應(yīng)當(dāng)也沒什么，按鍵不按下不就是開路嘛。

　　所以，當(dāng)使用別人的程序之前，請(qǐng)一定仔細(xì)查看電路圖。

　　這樣，最高頻率能夠達(dá)到約1.1MHz，是一個(gè)不小的進(jìn)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(zhì)上，我們實(shí)際上只需要讀取CCR1和CCR2寄存器。而在內(nèi)存復(fù)制過程中，面對(duì)大數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)移時(shí)，我們會(huì)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(yùn)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(gè)數(shù)組當(dāng)中并循環(huán)刷新。

　　這樣，我們可以隨時(shí)來查看數(shù)據(jù)并計(jì)算出頻率。

　　大神在回復(fù)中提出了幾個(gè)改進(jìn)意見，列出如下：

　　1.可以設(shè)定僅有通道2進(jìn)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(dāng)中，一次讀取CCR1和CCR2。這樣可以節(jié)省大量時(shí)間。

　　2.可以先進(jìn)行一次測(cè)量，根據(jù)測(cè)量值改變預(yù)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(jìn)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⒆罡卟蓸宇l率增加到2M.但是頻率的進(jìn)一步提高仍然不可能。

　　因?yàn)檫@時(shí)的主要矛盾是中斷函數(shù)時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致CPU還在處理中斷的時(shí)候這一次周期就結(jié)束了，使得最終測(cè)量到的頻率為真實(shí)頻率的整數(shù)倍左右。示意圖如下：

　　因此，高頻時(shí)仍然推薦以下方法。

　　綜上，對(duì)這幾種方法做一個(gè)總結(jié)：

　　外部中斷：編寫容易，通用性強(qiáng)。缺點(diǎn)是中斷進(jìn)入頻繁，誤差大。

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

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