題目
(1)測量脈沖信號頻率fo,頻率范圍為10Hz~2MHz,測量誤差的絕對值不大于0.1%。
(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%。
使用官方STM32F429 Discovery開發(fā)板,主頻180MHz,定時器頻率90MHz。
思路一、外部中斷
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。
筆者當時第一時間就把這個方案PASS了,沒有相關(guān)代碼(這個代碼也很簡單)。不過,該方法在頻率較低(10kHz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
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。所以在這里筆者并不推薦這種方法。
思路三、輸入捕獲
一般來說,對STM32有一定了解的人在測量頻率的問題上往往都會想到利用輸入捕獲。
首先設(shè)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(shè)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。
缺點是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(dǎo)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。
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。
改進方案
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(yīng)用情景之下,還有其它程序部分的限制。所以需要進行改進。
方案一
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(yīng)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(zhì)上,實際只需要讀取CCR1和CCR2寄存器。而在內(nèi)存復(fù)制過程中,面對大數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)移時,會想到什么?
顯然,很容易想到——利用DMA。所以,筆者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,可以隨時來查看數(shù)據(jù)并計算出頻率。
方案二
1.可以設(shè)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(yù)分頻值PSC,從而提高精度
3.間隔采樣。例如每100ms采樣10ms.
這樣的改進應(yīng)當能夠?qū)⒆罡卟蓸宇l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(dǎo)致CPU還在處理中斷的時候這一次周期就結(jié)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:
結(jié) 語
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,10kHz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。
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原文標題:如何使用STM32測量頻率和占空比?掌握這三個思路就夠了!
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