1 問題引出

在單片機與嵌入式開發中，某些場景需要捕獲傳感器的高電平（或低電平）信號的持續時間，如紅外解碼信號、編碼器輸入信號等。

如下圖，以單一的一段高電平輸入信號為例，如何測量這段高電平的時間呢？

從直觀上理解，就是要不斷的檢測這個信號，當信號從0變到1時，記錄一個時間，再從1變到0時，記錄另一個時間，兩個時間差就是高電平的持續時間了。那具體要怎么編程呢？這就要用到定時器了。

2 定時器的捕獲原理

上篇介紹了定時器的輸出功能，本篇是利用定時器的輸入功能，來計算脈沖時長。如下圖：

• 定時器的CNT計數器在不停的計數

• 首先配置定時器的輸入通道為上升沿捕獲，這樣當檢測到從0到1的跳變時，CCR1就會先保存當前的CNT值，同時CNT會清零重新開始計數

• 然后將定時器的輸入通道為下降沿捕獲，當檢測從1到0的跳變時，CCR2就會先保存當前的CNT值

• 在這期間，CNT的計數值可能會溢出，這不影響，記錄下溢出的次數，并重新開始計數即可

• 最終，t2-t1的高電平時間，就可以通過N次的溢出時間加CCR2保存的時間來計算獲得了

3 定時器常用的寄存器

上篇介紹了定時器輸出PWM時用到的幾個寄存器（CR、CCMR、CNT、PSC、ARR、CCR等），這里再介紹幾個捕獲信號時需要用到的幾個寄存器：

3.1 捕獲/比較模式寄存器CCMR1

CCMR寄存器上篇已有介紹，只是上篇僅介紹了輸出模式下的功能，本篇再介紹一下它在輸入模式下的功能：

這些通道可用于輸入（捕獲模式）或輸出（比較模式）模式。通道方向通過配置相應的 CCxS 位進行定義。此寄存器的所有其它位在輸入模式和輸出模式下的功能均不同。對于任一給定位

• OCxx 用于說明通道配置為輸出時該位對應的功能

• ICxx 則用于說明通道配置為輸入時 該位對應的功能

因此，必須注意同一個位在輸入階段和輸出階段具有不同的含義。

這里僅先介紹輸入模式下的功能：

• 位 15:12 IC2F：輸入捕獲 2 濾波器 (Input capture 2 filter)

• 位 11:10 IC2PSC[1:0]：輸入捕獲 2 預分頻器 (Input capture 2 prescaler)

• 位 9:8 CC2S：捕獲/比較 2 選擇 (Capture/compare 2 selection) 用法參照下面的CC1S通道1

• 位 7:4 IC1F：輸入捕獲 1 濾波器 (Input capture 1 filter)

  數字濾波器由事件計數器組成，每 N 個事件才視為一個有效邊沿：

  • 0000：無濾波器

  • 0001~1111：其它頻率的濾波器

• 位 3:2 IC1PSC：輸入捕獲 1 預分頻器 (Input capture 1 prescaler)

  此位域定義 CC1 輸入 (IC1) 的預分頻比。只要 CC1E=0（TIMx_CCER 寄存器），預分頻器便立即復位。

  • 00：無預分頻器，捕獲輸入上每檢測到一個邊沿便執行捕獲

  • 01~11：每發生 2 （4、8）個事件便執行一次捕獲

• 位 1:0 CC1S：捕獲/比較 1 選擇 (Capture/Compare 1 selection)，此位域定義通道方向（輸入/輸出）以及所使用的輸入。

  • 00：CC1 通道配置為輸出

  • 01：CC1 通道配置為輸入，IC1 映射到 TI1 上

  • 10：CC1 通道配置為輸入，IC1 映射到 TI2 上

  • 11：CC1 通道配置為輸入，IC1 映射到 TRC 上。此模式僅在通過 TS 位（TIMx_SMCR 寄存器）選擇內部觸發輸入時有效

注： 僅當通道關閉時（TIMx_CCER 中的 CC1E = 0），才可向 CC1S 位寫入數據。

3.2 捕獲/比較使能寄存器CCER

我們要用到這個寄存器的最低 2 位， CC1E 和 CC1P。

• 位 15、11、7、3 CCxNP：捕獲 /比較x 輸出極性 (Capture/Comparex output Polarity)。

  • CCx 通道配置為輸出： CCxNP 必須保持清零。

  • CCx 通道配置為輸入：此位與 CCxP 配合使用，用以定義 TI1FP1/TI2FP1 的極性。請參見 CCxP 說明。

• 位 14、10、6、2 保留，必須保持復位值。

• 位 13、9、5、1 CCxP：捕獲 /比較x 輸出極性 (Capture/Comparex output Polarity)。

  • 00：非反相/上升沿觸發 電路對 TIxFP1 上升沿敏感 （在復位模式、外部時鐘模式或觸發模式下執行捕獲或觸發操作）， TIxFP1 未反相 （在門控模式或編碼器模式下執行觸發操作）。

  • 01：反相/下降沿觸發 電路對 TIxFP1 下降沿敏感 （在復位模式、外部時鐘模式或觸發模式下執行捕獲或觸發操作）， TIxFP1 反相 （在門控模式或編碼器模式下執行觸發操作）。

  • 10：保留，不使用此配置。

  • 11：非反相/上升沿和下降沿均觸發 電路對 TIxFP1 上升沿和下降沿都敏感（在復位模式、外部時鐘模式或觸發模式下執行捕獲或觸發操作），TIxFP1 未反相（在門控模式下執行觸發操作）。編碼器模式下不得使用此配置。

  • 0：OCx 高電平有效

  • 1：OCx低電平有效

  • CCx 通道配置為輸出：

  • CCx 通道配置為輸入：

    CCxNP/CCxP 位可針對觸發或捕獲操作選擇 TI1FP1 和 TI2FP1 的極性。

• 位 12、8、4、0 CCxE：捕獲 /比較 x 輸出使能 (Capture/Comparex output enable)。

  • 0：禁止捕獲

  • 1：使能捕獲

  • 0：關閉––OCx 未激活

  • 1：開啟––在相應輸出引腳上輸出 OCx信號

  • CCx 通道配置為輸出：

  • CCx 通道配置為輸入：

    此位決定了是否可以實際將計數器值捕獲到輸入捕獲/比較寄存器 1 (TIMx_CCR1) 中。

3.3 DMA/中斷使能寄存器DIER

我們需要用到中斷來處理捕獲數據，所以必須開啟通道 1 的捕獲比較中斷，即 CC1IE 設置為 1 。

• 位 15、13、7、5 保留，必須保持復位值。

• 位 14 TDE：觸發 DMA 請求使能 (Trigger DMA request enable)

• 位 12~位9 CCxDE：捕獲/比較x DMA 請求使能 (Capture/Compare 1 DMA request enable)

• 位 8 UDE：更新 DMA 請求使能 (Update DMA request enable)

• 位 6 TIE：觸發信號(TRGI)中斷使能 (Trigger interrupt enable)

• 位 4~位1 CCxIE：捕獲/比較x 中斷使能 (Capture/Compare 1 interrupt enable)

• 位 0 UIE：更新中斷使能 (Update interrupt enable)

4 編程

4.1 定時器初始化

4.1.1 GPIO初始化

這里用到的是定時器5的通道1，根據STM32F407的數據手冊“3 Pinouts and pin description”中的“Table 9. Alternate function mapping”復用引腳說明表，可以看到定時器5通道1對應的引腳位A0，所以使用A0作為信號的輸入引腳。

因此程序中對A0引腳可以這樣配置，注意一定要配置引腳的復用功能：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;      /*GPIO 結構體*/
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE); //使能PORTA時鐘 

/*輸入信號的GPIO初始化*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;      //GPIOA0
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;    /*復用功能*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //速度100MHz
GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;   //推挽復用輸出
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_DOWN;   /*下拉*/
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);        //初始化PA0

GPIO_PinAFConfig(GPIOA,GPIO_PinSource0,GPIO_AF_TIM5); //PA0復用位定時器5

4.1.2 時基初始化

使用定時器，時基初始化是必不可少的，就是要設置一些計數的頻率與溢出值（自動重裝載值）：

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; /*時基 結構體*/

/*時基初始化*/
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;   /* 自動重裝載值 */
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc; /* 定時器分頻 */
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up; //向上計數模式
TIM_TimeBaseInit(TIM5,&TIM_TimeBaseStructure);

4.1.3 輸入通道初始化

將定時器的通道1設置為輸入捕獲模式：

TIM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure;    /*輸入通道 結構體*/

/*輸入通道初始化，初始化TIM5輸入捕獲參數*/
TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;        //CC1S=01 選擇輸入端 IC1映射到TI1上
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; /* 上升沿捕獲 */
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到TI1上
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;     //配置輸入分頻,不分頻 
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;            //IC1F=0000 配置輸入濾波器 不濾波
TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);

TIM_ITConfig(TIM5,TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1,ENABLE); /* 允許更新(溢出)中斷 ,允許CC1IE捕獲中斷 */ 

TIM_Cmd(TIM5,ENABLE ); //使能定時器5

• 關于配置CCMR1、CCER寄存器

CCMR1:

CCER:

TIM_ICInit函數對應于輸入通道的初始化，其實就是操作CCMR1、CCER寄存器：

void TIM_ICInit(TIM_TypeDef* TIMx, TIM_ICInitTypeDef* TIM_ICInitStruct)
{
 if (TIM_ICInitStruct->TIM_Channel == TIM_Channel_1)
 {  /* TI1 配置 */
   TI1_Config(TIMx, TIM_ICInitStruct->TIM_ICPolarity,
         TIM_ICInitStruct->TIM_ICSelection,
         TIM_ICInitStruct->TIM_ICFilter);
   /* 設置中斷捕獲預分頻值 */
   TIM_SetIC1Prescaler(TIMx, TIM_ICInitStruct->TIM_ICPrescaler);
 }
 else if (TIM_ICInitStruct->TIM_Channel == TIM_Channel_2)
 {
   /*省略...*/
 }
}

static void TI1_Config(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPolarity, uint16_t TIM_ICSelection,uint16_t TIM_ICFilter)
{
 uint16_t tmpccmr1 = 0, tmpccer = 0;

 /* 關閉通道1: 復位CC1E位 */
 TIMx->CCER &= (uint16_t)~TIM_CCER_CC1E;
 tmpccmr1 = TIMx->CCMR1;
 tmpccer = TIMx->CCER;

 /* 通過設置CC1S選擇為輸入模式， 并配置濾波器 */
 tmpccmr1 &= ((uint16_t)~TIM_CCMR1_CC1S) & ((uint16_t)~TIM_CCMR1_IC1F);
 tmpccmr1 |= (uint16_t)(TIM_ICSelection | (uint16_t)(TIM_ICFilter << (uint16_t)4));

 /* 選擇CC1P極性并設置CC1E位 */
 tmpccer &= (uint16_t)~(TIM_CCER_CC1P | TIM_CCER_CC1NP);
 tmpccer |= (uint16_t)(TIM_ICPolarity | (uint16_t)TIM_CCER_CC1E);

 /* 寫數據到 TIMx 的CCMR1 和 CCER 寄存器 */
 TIMx->CCMR1 = tmpccmr1;
 TIMx->CCER = tmpccer;
}

void TIM_SetIC1Prescaler(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_ICPSC)
{
 TIMx->CCMR1 &= (uint16_t)~TIM_CCMR1_IC1PSC; /* 復位IC1PSC位 */
 TIMx->CCMR1 |= TIM_ICPSC;          /* 設置IC1PSC值 */
}

• 關于配置DIER寄存器

TIM_ITConfig函數對于中斷的開啟，其實就是操作DIER寄存器：

void TIM_ITConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_IT, FunctionalState NewState)
{ 
 if (NewState != DISABLE)
 {  /* 使能中斷 */
   TIMx->DIER |= TIM_IT;
 }
 else
 {  /* 失能中斷 */
   TIMx->DIER &= (uint16_t)~TIM_IT;
 }
}

4.1.4 定時器中斷初始化

定時器中斷的使能設置已在上面的定時器配置中設置，這里只是進行常規的配置定時器中斷的優先級：

/*定時器中斷配置*/
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2; //搶占優先級3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority =0; //子優先級3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;  //IRQ通道使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);           //根據指定的參數初始化NVIC寄存器

4.2 定時器中斷服務函數

此處用到了兩個全局變量，用于輔助實現高電平捕獲。其中：

• TIM5CH1_CAPTURE_VAL用來記錄捕獲到下降沿的時候 TIM5_CNT的值。

• TIM5CH1_CAPTURE_STA用來記錄捕獲狀態，我們把它當成一個寄存器那樣來使用 。其各位描述下：

u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //輸入捕獲狀態（當中一個自制的寄存器使用，初始為0） 
u32 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //輸入捕獲值(TIM2/TIM5是32位)

/**
* @brief 定時器5中斷服務程序
*/
void TIM5_IRQHandler(void)
{  
 if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//還未成功捕獲 (1000 0000)
 {
 /*定時器溢出中斷*/
 if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET)
 {   
  if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)/* 之前標記了開始信號(0100 0000) */
  {
  if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F) /* 高電平太長了,計數溢出了 (0011 1111) */
  {
   TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;  /* (強制)標記成功捕獲了一次 (1000 0000) */
   TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFFFFFF; /* 因為溢出次數N不能再加了，就將當前的捕獲值設置為32位的最大值，等效Nmax+1*/
  }
  else /* 正常情況是不會溢出，最終得出正確的高電平時間 */
  {
   TIM5CH1_CAPTURE_STA++; /* 累計定時器溢出次數N */
  }
  }
  else
  {
  /* 還沒有捕獲到信號時，定時器溢出后什么也不做，自己清零繼續計數即可 */
  }
 }
 
 /*捕獲1發生捕獲事件*/
 if(TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET)
 { 
  /*捕獲到一個下降沿(結束信號)*/
  if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40) /* 之前標記了開始信號(0100 0000) */   
  {   
  TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;           /* 標記成功捕獲到一次高電平脈寬 (1000 0000) */
  TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM5);     /* 獲取當前的捕獲值 */
   TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Rising); /* CC1P=0 重新設置為上升沿捕獲，用于下次捕捉信號 */
  }   
  /*還未開始,第一次捕獲 上升沿(起始信號) */
  else     
  {
  TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;  /* 清空 捕獲狀態寄存器 */
  TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0;     /* 清空 捕獲值 */
  TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40; /* 標記捕獲到了上升沿 (0100 0000) */
  
  TIM_Cmd(TIM5,DISABLE );   /* 關閉定時器5 */
   TIM_SetCounter(TIM5,0);     /* 清空CNT，重新從0開始計數 */
   TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Falling); /* CC1P=1 設置為下降沿捕獲 */
  TIM_Cmd(TIM5,ENABLE );     /* 使能定時器5 */
  }   
 }          
 }
 TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中斷標志位
}

再來對比一下這張圖：

• 初始化時設置為上升沿觸發，觸發后（起始信號），清空CNT，重新從0開始計數，并設置為下降沿捕獲

• 在之后的過程中可能會有多次定時器計數溢出，即TIM5CH1_CAPTURE_STA++（使用低6位），也即N的值

• 最后捕捉到下降沿（結束信號），TIM5CH1_CAPTURE_VAL獲取當前CNT的值，也即CCRx2的值

再看主函數中：

while(1) 
{
  /* 成功捕獲到了一次高電平 (1000 0000) */
  if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)    
  {
    temp=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F; /* 獲取溢出的次數N (0011 1111) */
    temp*=0XFFFFFFFF;   /* 溢出時間總和 = N*溢出計數值 */
    temp+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL; /* 總的高電平時間 = 溢出時間總和 + 下降沿時的計數值*/

    printf("HIGH:%lld us\r\n",temp); //打印總的高點平時間
    TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;  //開啟下一次捕獲
  }
}

當檢查TIM5CH1_CAPTURE_STA為捕獲到1次高電平后，打印高電平的持續時間：

• 總的高電平時間 =N(TIM5CH1_CAPTURE_STA的低6位) * ARR(溢出計數值)+ CCRx2(下降沿時的計數值)

附：一些寄存器簡寫的全稱

• ARR：auto-reload register 自動重載寄存器

• CCR：capture/compare register 捕獲/比較寄存器

• PSC：prescaler 預分頻器

• CNT：counter 計數器

• SR：status register 狀態寄存器

• CCMR：capture/compare mode register 捕獲/比較模式寄存器

  • CC1S：Capture/Compare 1 selection 捕獲/比較1模式選擇

  • OC1M： Output compare 1 mode 輸出比較1模式

  • OC1PE：Output compare 1 preload enable 輸出比較1預裝載使能

  • IC1F：Input capture 1 filter 輸入捕獲1濾波器

  • IC1PSC：Input capture 1 prescaler 輸入捕獲1預分頻器

• CCER：capture/compare enable register 捕獲/比較使能寄存器

  • CC1P：Capture/Comparex output Polarity 捕獲 /比較1輸出極性

  • CC1E：Capture/Comparex output enable 捕獲 /比較1輸出使能

• SMCR：slave mode control register 從模式控制寄存器

• DCR：DMA control register DMA 控制寄存器

• DIER：DMA/Interrupt enable register DMA/中斷使能寄存器

• DMAR：DMA address for full transfer 全傳輸 DMA 地址

• OR：option register 選項寄存器