MCU输入捕获模式

引言

输入捕获模式 （Input Capture Mode）是一种用于捕获外部输入信号变化的微控制器（MCU）功能，通常集成在定时器（Timer）模块中。通过这种模式，MCU可以精确记录外部信号的边沿事件，如上升沿或下降沿，进而计算出信号的周期、脉宽等参数。这种方法在嵌入式系统中有着广泛的应用，如PWM信号分析、编码器信号处理等。

一、基本概念

1. 输入捕获模式 ：
   • 定义：输入捕获模式是微控制器定时器模块的一种工作模式，用于捕获外部信号的边沿事件（通常是在上升沿或下降沿触发）。
   • 功能：通过捕获外部信号的变化，记录定时器当前的计数值，从而可以计算出输入信号的周期、脉宽或其他相关参数。
2. 外部信号 ：
   • 输入信号可以是各种形式的脉冲序列，如PWM信号、编码器信号、传感器输出等。
   • 信号通常表现为周期性的高电平和低电平交替。
3. 边沿检测 ：
   • 上升沿：信号从低电平（0）变为高电平（1）。
   • 下降沿：信号从高电平（1）变为低电平（0）。
   • 可以根据需要选择仅捕获上升沿、仅捕获下降沿，或者两种边沿都捕获。

二、实现原理

1. 定时器模块功能 ：
   • 定时器模块是微控制器中用于生成时间基准和事件的重要模块。
   • 它可以通过配置生成周期性中断、控制PWM输出，或者捕获外部输入信号的变化。
2. 输入捕获的具体实现 ：
   • 当外部输入信号的电平变化时（如从低变高），捕获通道检测到这个变化，并触发一个事件。
   • 定时器在事件触发时，将当前的计数值保存到捕获寄存器中。
   • 软件可以定期读取捕获寄存器中的值，计算出两次边沿事件之间的计数值变化，从而得到输入信号的周期或脉宽。
3. 配置步骤 （以STM32为例）：
   • 1. 定时器初始化 ：
   • 选择定时器并配置其时钟源和预分频器，设置定时器的工作频率。
   • 配置捕获通道的工作模式，选择边沿触发方式（上升沿、下降沿、或两者）。
   • 使能捕获通道，并配置捕获中断。
   • 2. 中断服务函数 ：
   • 定义捕获中断的响应函数，在中断触发时读取捕获寄存器的值。
   • 清除中断标志，确保后续中断正常触发。
   • 3. 信号分析 ：
   • 通过连续获取两次或多次捕获的计数值，计算出信号的周期和脉宽。
   • 根据具体需求，存储或处理这些数据，用于后续的控制或显示。

三、应用案例

1. 测量PWM信号的周期和占空比 ：
   • 外部PWM信号输入到微控制器的捕获通道。
   • 当 PWM 信号的高电平边缘（如上升沿）被检测到时，捕获通道记录当前计数值。
   • 在下一个上升沿被捕获时，计算两次计数值之间的差值，即为PWM信号的周期。
   • 然后，根据高电平持续时间除以周期，得到占空比。
2. 编码器信号处理 ：
   • 编码器输出脉冲信号，每一转输出固定数量的脉冲。
   • 输入捕获模式可以用来记录每个脉冲的到达时间，从而计算出旋转速度或位置。
3. 频率测量 ：
   • 通过测量两个相邻边沿的时间间隔，可以计算出输入信号的频率。

四、优势与局限

1. 优势 ：
   • 高精度 ：利用定时器的计数机制，可以精确到时钟周期级别。
   • 灵活性 ：适用于多种类型的输入信号，能够满足不同的测量需求。
   • 低资源消耗 ：通过硬件中断和计数器，大部分工作由硬件完成，降低了 CPU 的负担。
   • 实时性 ：能够在第一时间捕获和处理信号变化，适合实时控制应用。
2. 局限 ：
   • 硬件依赖性 ：输入捕获模式依赖于MCU的定时器模块和相应硬件配置，不同芯片的实现和配置可能不同。
   • 信号频率限制 ：输入信号的频率受到定时器工作频率和中断响应时间的限制，高频率信号可能需要更高效的配置。
   • 干扰处理 ：外部信号可能受到噪声或干扰的影响，需要增加滤波或增加软件处理逻辑以提高准确性。
   • 资源占用 ：复杂的捕获模式可能需要更多的定时器通道和中断优先级配置，增加了系统资源的使用。

五、配置与注意事项（以STM32为例）

1. 定时器配置步骤 ：
   • 选择定时器和通道 ：
   • 根据项目需求选择适合的定时器和输入捕获通道。
   • 确保选定的定时器通道支持输入捕获功能。
   • 配置定时器时钟源和预分频器 ：
   • 根据输入信号的预期频率选择合适的时钟源和预分频器。
   • 确保定时器的工作频率适合信号的捕捉。
   • 配置输入捕获模式和触发边沿 ：
   • 选择捕获模式（如上升沿、下降沿或两者）。
   • 配置捕获通道的极性，确保只捕捉感兴趣的边沿。
   • 使能中断并配置中断优先级 ：
   • 使能捕获中断，确保在边沿事件发生时，及时触发中断服务函数。
   • 根据系统中断优先级需求，合理设置中断优先级，避免中断冲突或延迟。
2. 编写中断服务函数 ：
   • 在中断服务函数中，读取捕获寄存器的当前值。
   • 清除中断标志，准备接受下一次边沿事件。
   • 根据需要，将捕获值存储到变量或缓冲区中，供后续处理使用。
3. 软件处理与计算 ：
   • 在主线程中，定期读取和处理捕获的计数值。
   • 计算周期、脉宽等参数，并根据需求进行处理（如控制、显示等）。
4. 调试与验证 ：
   • 通过串口输出或调试工具，查看捕获的计数值是否符合预期。
   • 调整定时器配置，优化计数精度和捕捉效果。
   • 测试不同频率和类型