STM32 定时器输入捕获：频率与脉宽测量实战指南

一、输入捕获原理概述

输入捕获模式通过定时器通道检测外部信号的边沿（上升沿或下降沿），并在边沿到来时将当前计数器值（CNT）锁存到捕获寄存器（CCR）中。通过连续两次捕获的计数值差值，结合定时器时钟频率，即可计算出信号的周期或高电平时间。

对于频率测量，通常捕获相邻两个上升沿的CNT值，其差值即为一个完整周期内的计数个数。若定时器分频后计数频率为f_clk，则信号频率为f_clk / (capture2 - capture1)。

对于脉宽（高电平时间）测量，则需捕获上升沿和下降沿的CNT值，两者之差对应高电平持续时间。

二、硬件资源与测量方案

以STM32F103系列为例，常用定时器TIM2、TIM3、TIM4、TIM5均支持输入捕获。每个定时器有4个独立通道，且每个通道可映射到不同的引脚。

测量方案有两种常用方式：

单通道捕获：手动切换捕获边沿，先捕获上升沿，再捕获下降沿，计算脉宽。适合单通道实现，但需在中断中修改边沿极性。
PWM输入模式：使用同一定时器的两个通道（CH1和CH2）分别捕获上升沿和下降沿，硬件自动完成，无需切换极性，配合主从模式可同时获得周期和脉宽。

本文重点讲解PWM输入模式，因其效率最高，尤其适合测量PWM信号的频率和占空比。

三、PWM输入模式原理

STM32的PWM输入模式是输入捕获的一种特殊用法，它将TIMx_CH1映射到IC1和IC2两个捕获单元：

IC1捕获上升沿，记录周期计数值；
IC2捕获下降沿，记录脉宽计数值。

通过配置触发选择（TS=TI1FP1）和从模式（复位模式），使计数器在上升沿清零，从而CCR1直接存储周期值，CCR2直接存储脉宽值。这样无需中断处理即可实时读取两个寄存器，频率和占空比可通过简单计算获得。

四、寄存器配置步骤

以TIM3为例，使用CH1（PA6）作为PWM输入引脚，具体配置步骤如下：

开启时钟：使能GPIOA和TIM3时钟。
配置GPIO：PA6设置为浮空输入（或上拉输入，根据外部信号电平）。
设置时基：配置PSC预分频器，使计数频率适合待测信号。例如，72MHz时钟，PSC=71，则计数频率为1MHz，分辨率1μs。
配置捕获通道：将CH1设置为输入捕获，映射到TI1（即直接连接），并选择上升沿触发IC1，同时通过CC1S选择IC1映射到TI1。
设置捕获边沿：IC1上升沿，IC2下降沿（通过CCER配置CC1P=0，CC2P=1）。
配置触发和从模式：设置TS=101（TI1FP1），SMS=100（复位模式）。
使能捕获和定时器：使能CC1E、CC2E，最后使能TIM3。

五、完整代码示例（寄存器版）

// 使用TIM3_CH1 (PA6) 测量PWM频率和占空比
// 系统时钟72MHz，计数频率1MHz

void TIM3_PWM_Input_Init(void)
{
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM3EN;   // 使能TIM3时钟
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;   // 使能GPIOA时钟

    // PA6 浮空输入（外部信号驱动）
    GPIOA->CRL &= ~(0xF << (6 * 4));
    GPIOA->CRL |= (0x4 << (6 * 4));       // CNF=01, MODE=00 => 浮空输入

    // 时基配置：PSC=71, ARR=0xFFFF（最大计数）
    TIM3->PSC = 71;                       // 72MHz / 72 = 1MHz，每计数1次=1us
    TIM3->ARR = 0xFFFF;

    // 通道1映射到TI1，上升沿捕获（IC1）
    TIM3->CCMR1 |= (0x1 << 0);            // CC1S=01, IC1映射到TI1
    TIM3->CCER &= ~(0x1 << 1);            // CC1P=0, 上升沿捕获

    // 通道2映射到TI1，下降沿捕获（IC2）
    TIM3->CCMR1 |= (0x1 << 8);            // CC2S=01, IC2映射到TI1
    TIM3->CCER |= (0x1 << 5);             // CC2P=1, 下降沿捕获

    // 触发选择：TI1FP1作为触发输入
    TIM3->SMCR |= (0x5 << 4);             // TS=101

    // 从模式：复位模式，上升沿清零计数器
    TIM3->SMCR |= (0x4 << 0);             // SMS=100

    // 使能捕获通道
    TIM3->CCER |= (0x1 << 0);             // CC1E=1
    TIM3->CCER |= (0x1 << 4);             // CC2E=1

    // 使能TIM3
    TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN;
}

typedef struct {
    uint32_t frequency;   // 单位Hz
    uint32_t duty;        // 占空比（百分比整数）
} PWM_Result;

void PWM_Measure(PWM_Result *result)
{
    uint32_t period = TIM3->CCR1;  // 周期计数值
    uint32_t pulse  = TIM3->CCR2;  // 脉宽计数值

    if (period == 0) {
        result->frequency = 0;
        result->duty = 0;
        return;
    }

    // 频率 = 1MHz / period (单位Hz)
    result->frequency = 1000000UL / period;

    // 占空比 = pulse / period * 100%
    result->duty = (uint32_t)((uint64_t)pulse * 100 / period);
}

int main(void)
{
    PWM_Result result;
    TIM3_PWM_Input_Init();

    while (1) {
        PWM_Measure(&result);
        // 在此使用result.frequency和result.duty，如串口输出
        // 注意调用间隔要大于一个输入周期，否则可能读到中间值
        delay_ms(100);
    }
}

六、注意事项

预分频与精度：计数器频率越高，测量精度越高，但可测最大周期受ARR限制。若ARR=65535，计数频率1MHz时最大周期约65.5ms，即最小频率约15Hz。测量更高周期需降低计数频率或使用更高位定时器（如TIM2/TIM5为32位）。
信号质量：输入信号应具有良好的边沿陡峭度，必要时使用外部施密特触发器整形，避免抖动引起误捕获。
溢出处理：当信号周期大于定时器溢出周期时，需要在中断中处理计数器溢出（更新中断），累加溢出次数。若使用PWM输入模式，在复位模式下计数器不会自由溢出至ARR，因此适用于周期小于ARR的信号。
连续读取一致性：在读取CCR1和CCR2时，两个寄存器并非原子更新，若在电机控制等实时性要求高的场景，建议先读取后验证或使用暂停计数器的方法，避免读到混合周期的新旧值。
通道映射：PWM输入模式下，IC1和IC2的滤波（ICF）可配置以滤除高频毛刺，但会增加信号延迟，需权衡。

七、总结

利用STM32定时器的输入捕获功能，可以高效、精准地测量外部信号的频率和脉宽。PWM输入模式通过硬件自动捕获周期和脉宽，极大简化了软件逻辑。开发者只需正确配置时基、捕获通道和从模式，即可在主循环中直接读取结果，非常适合实时性要求高的嵌入式应用。掌握这一技术，也为后续实现编码器测速、红外解码等高级功能打下坚实基础。