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如何使用STM32测量频率和占空比?掌握这三个思路就够了!

菜鸟
2019-01-22 15:40:15    评分

(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:

T1.png

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。

T2.png

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。

T3.png

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:

T4.png

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。





关键词: STM32     测量     频率     占空比    

管理员
2019-01-23 09:43:00    评分
2楼

谢谢楼主分享


专家
2019-01-29 08:49:45    评分
3楼

感谢分享


工程师
2019-02-14 18:25:17    评分
4楼

有意思


菜鸟
2019-04-18 17:50:10    评分
5楼

学习一下


菜鸟
2019-04-25 21:32:58    评分
6楼

占个沙发


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