最强 PWM 输入原理解析贴

上一篇文章《领悟最强 PWM 捕获功能，1 MHz 》鱼鹰介绍了最强 PWM 一些基本特性，今天鱼鹰从原理上介绍如何实现该功能。

介绍之前，首先介绍一下 STM32F103 TIM 的一些相关特性：

1. 无法使用外部引脚中断触发 DMA （有些型号可以）无法使用 TIM 同时捕获上升沿和下降沿。你在库里面看到的宏其实在使用时受到了限制，高级定时器1、8，通用定时器2、3、4、5都不行，而一般103 就只带这些定时器。

3、高频信号输入时，中断进入很频繁，如果是 100 K 频率，你需要 5 us 进入一次（高低电平各一次，还是在占空比为 50 % 情况下，其它占空比条件更为苛刻），如果采用中断处理方式，你必须在中断中完成很多操作（清标志、计算、翻转极性等），同时你需要保证这两次中断不能被全局中断禁止，或者被高优先级中断打断，否则，你得到的可能就不是一次脉冲的高电平了，这样你的占空比、频率都将计算出错。正因为有如上问题，而捕获 PWM 脉冲又是比较常见的功能，所以需要一个高效的捕获程序完成该工作。而鱼鹰今天介绍的实现原理我认为就是最高效的。100K 频率误差 0%，占空比误差1%！在嵌入式中，100 K 频率已经算比较高的了，当然是在关注占空比情况下，如果只关注频率，那么可测量的频率将更高。可能有些人会抬杠，说，干嘛不使用 FPGA。鱼鹰当然知道有比单片机更有效的捕获器件，因为我自己买的逻辑分析仪（想买这个的可以找鱼鹰预定，可以给一定的优惠，预定人数需要10个以上）就可以捕获很高的频率、精度，但问题在于成本，在于有必要吗？这个逻辑分析仪可是几百大洋啊。闲话不多说，鱼鹰首先介绍一下该捕获方法的基本原理。很简单，就是利用二进制溢出特性实现的。（2038问题-动图）

这个特性鱼鹰在笔记中也多次介绍了其中的应用，比如无锁队列、扩展定时器、编码器、延时等，今天就再加一个应用，PWM 捕获（本篇笔记不介绍这个特性原理，可以看历史相关笔记）。可以说理解了这个特性，在各种整型数据处理中如虎添翼，再也不担心数据溢出的问题，反而要利用该特性完成一些骚操作，比如今天 PWM 捕获就是如此。另一个绝技就是使用 DMA 了，这是它高效可靠的原因。首先我们看看定时器的构成框图：

上面标注部分就是为什么 PWM 输入模式只能使用通道 1 或通道 2 的原因。这里我们以TI1作为PWM输入，两个捕获通道同时捕获 TI1 为例说明。基本配置如下：

1. 捕获通道 1 触发 DMA，同时设置捕获上升沿，这样，只要上升沿触发了，可以自动完成捕获并DMA传输至用户缓存。通道 2 下降沿捕获，不触发 DMA。配置DMA，传输外设地址不是某一个寄存器，而是 DMAR，同时设置传输数量，这一定是 2 的倍数，因为一次需要传输两次，32 位宽度。因为需要传输两次 CCRx，所以需要正确设置 DCR 寄存器。

以上配置就是整个功能最为关键的部分。如果你理解了下面介绍的捕获原理，你自然知道为什么需要这么设置了。我们首先看看 PWM 捕获时基本工作过程：

另外还需要了解 TIM 一个很重要的DMA 传输特性：通过配置寄存器，可以一次触发，多次DMA连续传输，这个特性在这个功能中也被用上了。

如何利用这个功能呢？一般我们配置 DMA 传输时，比如串口，一般外设地址就是 DR 寄存器。而如果我们想传输 TIM 的捕获值，我们可以设置成 CCR1 寄存器的地址。这样也可以正常传输，但是只能在触发时传输一个寄存器的值，如果需要把两次捕获值都传输，那么就需要配置两个 DMA 通道完成，但这里又涉及到了两个 DMA 通道同步的问题，因为你肯定希望每次采集的两个数据都属于同一个脉冲。所以 TIM 用了这两个寄存器解决这个问题，通过 DMAR 中转，就可以完成一次触发，连续传输两个 CCR 的值。想必看到这里，你应该大概知道该捕获的原理是什么了。

这里鱼鹰再结合上图描述一下。初始化（定时器、DMA、GPIO）完成后，定时器就准备好工作了，一旦有一个脉冲输入，上升沿触发，此时因为设置了 DMA 触发，同时设置了连续传输两个寄存器，所以它会把当前的 CCR1 和上一次捕获的 CCR2（下降沿触发）传输到用户缓存，这是两次 DMA 传输，所以DMA的计数器会递减两次。并且 CCR1 的值比 CCR2 的值大（不考虑溢出情况下，并且差值情况下，大小没有意义）。这样，上面的三次触发，我们可以得到三组捕获数据。

通过 (uint16_t)(CCR1 – CCR2)，我们可以得到低电平，而通过两次CCR1 或者 CCR2 的差值，我们可以得到周期。这样计算频率和占空比就不是什么难事了。特别需要注意的是，三次上升沿捕获期间，定时器不可以产生溢出现象，这可以通过定时器分频实现。分频系数越小，分辨率越高，但越容易溢出。

这里要注意的是，如果频率比较高，建议多测量几组数据，然后取后面几组数据进行简单平均或中值计算（具体根据捕获值来确定），这样准确度更高一些，因为刚开始可能因为初始化的缘故，导致意外捕获，这是可能的（刚开始不确定可以测个 64 组再说）。另外如果输入 PWM 频率或占空比会不断变化，也需要根据情况多测几组（或定时测），并进行简单处理，这样不容易刚好捕获到变化的脉冲，保证脉冲计算的可靠性。

总之，怎么去让你的程序更加可靠就是各位道友的事情了，鱼鹰只是提供一个解决思路。另外鱼鹰不准备提供源码给各位道友，自由发挥吧。如果确实有需要的话，在本篇文章更新前的时间里，道友有过赞赏或者留言被置顶或转发支持的情况，那么也可以主动联系鱼鹰，鱼鹰可以给一份参考程序，仅供参考。

来源：公众号【鱼鹰谈单片机】

作者：鱼鹰Osprey（emOsprey）