STM32 输入捕获测频率 学习笔记

建议先学完《STM32_中断定时器PWM学习笔记》再看本篇。本篇把"定时器"+"中断"再往前推一步：让定时器"测量"外部信号。
示例用 STM32F103 + 标准外设库 V3.5.0，主角是通用定时器的 TIM5_CH1（PA0）。

1. 输入捕获是什么

1.1 一句话定义

输入捕获（Input Capture）：当引脚上出现指定边沿时，定时器硬件把当前计数器的值 CNT 原样"照下来"存进 CCR 寄存器，并可以产生一次捕获中断。

对比你学过的 PWM（输出比较）：

同一个 CCR 寄存器，方向完全相反。理解了这个"方向"，输入捕获就懂了一半。

1.2 生活类比

想象一个一直在走的秒表（CNT）。你在跑道边，每次运动员跨过起跑线（上升沿），你按一下"记录"键，秒表把当前读数记下来（存进 CCR）。

• 相邻两次记录的读数之差 = 运动员跑一圈的时间 = 周期 T
• 频率 = 1 / 周期

输入捕获干的就是这件事：它是硬件版的秒表记录功能，而且"按键"速度极快（纳秒级），不会被程序卡住而漏记。

1.3 它有什么用

• 测方波的频率 / 周期（本篇主题）
• 测高电平 / 低电平持续时间 → 进一步算出 PWM 占空比
• 测脉冲宽度（红外遥控解码、超声波测距的 echo 脉宽）
• 测旋转编码器的转速 / 方向

1.4 前提：被测信号要是"干净"的方波

从《前置基础》的知识回顾：输入捕获靠"看边沿"来工作，所以被测信号必须是数字方波（有清晰的高/低电平、明确的边沿）。

• 如果是正弦波、模拟信号 → 先经过比较器/整形电路变成方波再接进来。
• 如果边沿"脏"（有毛刺、抖动）→ 用定时器自带的输入滤波（见 4.4）。

2. 测频率的两种思路（先懂方法再动手）

2.1 测周法（输入捕获专用，适合测低频/中频）

测一个周期有多长，再取倒数：

f = 1 / T

• 用输入捕获记下相邻两个上升沿的 CNT 差值 = 周期（多少个计数时钟 tick）
• 周期 × 每 tick 时间 = 实际时间 T
• 优点：低频测得很准（周期越长，tick 数越多，相对误差越小）
• 缺点：高频时一个周期没几个 tick，分辨率差

2.2 测频法（数脉冲，适合测高频）

固定开一个"闸门"时间（比如 1 秒），数这段时间里来了多少个脉冲：

f = 闸门时间内的脉冲个数 ÷ 闸门时间

• 优点：高频测得很准（脉冲越多，计数越准）
• 缺点：低频时一个闸门内没几个脉冲，误差大；闸门时间长则响应慢

2.3 怎么选

本篇重点讲测周法（它直接用输入捕获，最能巩固你刚学的定时器 + 中断）。测频法在最后"进阶"一节给思路。

3. 输入捕获的原理（硬件内部怎么干活的）

3.1 信号通路

外部引脚 PA0(TIM5_CH1)
   │
   ▼
输入滤波 ICF ──(滤毛刺)──► 边沿检测(极性选择) ──► 输入预分频 ICPS ──► 触发捕获
                                                                     │
                        CNT（一直在数）◄────────── 捕获触发时把 CNT 抄进 CCR

拆开看就是四步：

1. 滤波（ICF）：对输入信号做"连续采样 N 次确认"，滤掉毛刺。
2. 极性选择（ICPolarity）：选上升沿 / 下降沿 / 双沿触发。
3. 输入预分频（ICPS）：每 1 / 2 / 4 / 8 个边沿才捕获一次，用来降低捕获频率（一般用 1）。
4. 捕获：满足条件时，把当前 CNT 的值拷进 CCR，并置 CC1IF 标志，可触发中断。

3.2 "时间戳"思想（核心）

把每次捕获到的 CCR 当成一个时间戳：

第1次上升沿 → 时间戳 t1 = CCR = 1000
第2次上升沿 → 时间戳 t2 = CCR = 3000

周期 = t2 - t1 = 2000 个 tick

前提：计数时钟的频率是已知的（比如 1MHz，每个 tick = 1μs），那么：
T = 2000 × 1μs = 2ms，f = 1 / 2ms = 500Hz。

所以"测频率"本质上就是"测两个相邻上升沿之间隔了多少个时钟 tick"。这个思想贯穿全篇。

3.3 为什么用"记时间戳"而不是"软件数脉冲"

记时间戳对 CPU 来说是被动接收：硬件在边沿瞬间自动抄 CNT，ISR 只负责读走。即使程序正在忙别的，也不会漏掉边沿（只要 ISR 足够快）。这就是硬件外设比软件数数可靠的原因。

4. 关键参数与标准库配置

4.1 输入捕获的标准库配置（核心就一个函数）

标准库里配置输入捕获的核心结构体是 TIM_ICInitTypeDef，用 TIM_ICInit() 写进去：

TIM_ICInitTypeDef ic;

TIM_ICStructInit(&ic);                      // 先填一套默认值（推荐）
ic.TIM_Channel     = TIM_Channel_1;         // 用通道1
ic.TIM_ICPolarity  = TIM_ICPolarity_Rising; // 上升沿触发
ic.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;  // 直连：CH1 用自己引脚 TI1
ic.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;        // 每 1 个边沿捕获一次
ic.TIM_ICFilter    = 0x00;                  // 不滤波
TIM_ICInit(TIM5, &ic);

4.2 四个参数逐个解释

• DirectTI（直连）：CH1 就捕获 CH1 自己的引脚（TI1）。绝大多数场景用它。
• IndirectTI（间接）：CH1 借用 CH2 的引脚（TI2）来捕获。测 PWM 占空比时会用到（见 6.2）。
• ICPrescaler：如果信号边沿非常密（高频），可以把捕获频率降下来，避免中断太频繁。测频率一般用 DIV1（每个边沿都抓）。

4.3 极性决定"记哪个时刻"

• 想测周期：只关心"每个上升沿"，用 Rising 即可。
• 想测高电平时间：需要"上升沿记一次、下降沿记一次"，要么用双通道，要么在中断里切换极性（见 6.2）。

4.4 输入滤波 ICF（数电知识的用武之地）

TIM_ICFilter 是一个数字滤波器：要求信号连续稳定 N 个采样周期才认这个边沿。值越大，越抗噪，但响应越慢、越可能漏掉窄脉冲。

滤波器"连续采样 N 次确认"的思路，就是数电里典型的数字滤波。没有数电基础也不用慌：记住"滤波 = 拿稳定换速度"就行。

4.5 定时器时钟与量程（决定你能测多慢/多准）

捕获的"时间戳"单位是计数时钟的 tick。所以要先选好计数时钟：

• tick 时间 = 1 / 计数时钟。计数时钟越高，每个 tick 越短，分辨率越高（测得更精细）。
• 但 CCR 是 16 位（最大 65535），计数时钟越高，能装下的时间越短，量程越小。

经验：先估被测信号的频率范围，再选计数时钟。通用场景用 1MHz（PSC=71） 起步，够测几 Hz ~ 几十 kHz。

4.6 别忘了：GPIO 是输入模式

PWM 输出时引脚配 GPIO_Mode_AF_PP，但输入捕获时引脚是"输入"，要配成输入模式：

gpio.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_0;
gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 浮空输入；由外部信号源驱动
GPIO_Init(GPIOA, &gpio);

• 信号源能同时驱动高、低电平 → 用 IN_FLOATING（浮空）。
• 信号是"开漏 + 上拉"之类 → 用 IPD 下拉或 IPU 上拉，看电路。
• 千万别用 AF_PP（那是输出模式，输入捕获不会有波形）。

5. 16 位溢出问题（最容易翻车的地方）

5.1 问题

CCR 和 CNT 都是 16 位（0 ~ 65535）。如果被测周期超过 65535 个 tick：

CNT 数到 65535 → 再 +1 → 回到 0（溢出）→ 产生"更新事件 / 更新中断"

这时两次捕获之间的差值不再等于真实周期，必须把"溢出了几圈"也算进去。

5.2 解决办法：开更新中断，数溢出圈数

真实周期(tick) = (本次 CCR - 上次 CCR) + 溢出圈数 × (ARR + 1)

• 溢出圈数：在更新中断里累加，每次 CNT 回 0 就 +1。
• 捕获中断里读到新 CCR 后，把溢出圈数清零，开始数下一个周期。

5.3 或者：干脆让量程不溢出

如果被测信号不慢（周期 < 65535 tick），可以直接用 16 位最大值做 ARR：

tim.TIM_Period = 0xFFFF;   // 65535，让计数器尽可能晚溢出

这样只要信号周期小于 65.535ms（f > 约 15Hz），就永远不会溢出，代码更简单。先按这个最简单的情况跑通，再上溢出处理。

6. 示例代码

6.1 示例 1：TIM5_CH1 测频率（基础版，不处理溢出）

场景：PA0 输入一个方波，用 TIM5_CH1 测它的周期 → 算频率。计数时钟 1MHz，ARR 用最大 0xFFFF。

前提：被测频率 > 约 15 Hz（周期 < 65.535ms），否则先看 5.2 的溢出版。

#include "stm32f10x.h"

volatile uint32_t period_ticks = 0;   // 最近一次测到的周期（tick 数），供主循环读

void TIM5_IC_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef tim;
    TIM_ICInitTypeDef ic;
    NVIC_InitTypeDef nvic;

    // ① 开时钟：TIM5 在 APB1；GPIOA
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // ② PA0 = TIM5_CH1，输入捕获引脚要配输入模式（浮空）
    gpio.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_0;
    gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &gpio);

    // ③ 定时器时基：72MHz / 72 = 1MHz，ARR 拉满 16 位
    tim.TIM_Prescaler         = 71;            // 1MHz
    tim.TIM_CounterMode       = TIM_CounterMode_Up;
    tim.TIM_Period            = 0xFFFF;        // 尽量晚溢出
    tim.TIM_ClockDivision     = TIM_CKD_DIV1;
    tim.TIM_RepetitionCounter = 0;
    TIM_TimeBaseInit(TIM5, &tim);

    // ④ 输入捕获配置：上升沿、直连 TI1
    TIM_ICStructInit(&ic);
    ic.TIM_Channel     = TIM_Channel_1;
    ic.TIM_ICPolarity  = TIM_ICPolarity_Rising;
    ic.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    ic.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    ic.TIM_ICFilter    = 0x00;
    TIM_ICInit(TIM5, &ic);

    // ⑤ 开捕获中断（基础版不需要更新中断）
    TIM_ClearFlag(TIM5, TIM_FLAG_CC1 | TIM_FLAG_Update);
    TIM_ITConfig(TIM5, TIM_IT_CC1, ENABLE);

    // ⑥ NVIC
    nvic.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;
    nvic.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    nvic.NVIC_IRQChannelSubPriority        = 0;
    nvic.NVIC_IRQChannelCmd                = ENABLE;
    NVIC_Init(&nvic);

    // ⑦ 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM5, ENABLE);
}

// 中断服务函数
void TIM5_IRQHandler(void)
{
    static uint16_t prev = 0;      // 上一次捕获值（用 static 记住）
    static uint8_t  first = 1;     // 第一次捕获还没有"上一次"，不算周期

    if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET)
    {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC1);

        uint16_t now = TIM_GetCapture1(TIM5);   // 读走 CCR1（时间戳）

        if (first)               // 第一次：只记录基准，不计算
        {
            prev  = now;
            first = 0;
        }
        else                     // 之后：周期 = 本次 - 上次
        {
            period_ticks = (uint32_t)now - prev;
            prev = now;
        }
    }
}

int main(void)
{
    uint32_t freq = 0;
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    TIM5_IC_Config();

    while (1)
    {
        if (period_ticks != 0)
        {
            freq = 1000000UL / period_ticks;    // 1MHz 计数时钟 → 频率 = 时钟 / 周期tick
            printf("freq = %lu Hz, period = %lu us\r\n", freq, period_ticks);
            delay_ms(500);                      // 你的延时函数
        }
    }
}

说明：

• printf 要重定向到串口（用你现有的串口打印方法，后续会专门学 USART）。
• 频率 = 计数时钟 ÷ 周期(tick)。因为 1 tick = 1μs，所以 period_ticks 直接就是微秒数，1 秒 = 1000000 μs。
• 第一次捕获不计算，因为还没有"上一次时间戳"。这是输入捕获最常见的初始化细节。

6.2 示例 2：测 PWM 占空比（进阶，可先跳过）

被测信号是 PWM，我们想要周期 + 高电平时间，从而算占空比：

占空比 = 高电平时间 ÷ 周期

用双通道：CH1 上升沿捕获（记周期），CH2 下降沿捕获（记高电平结束）。

// 在 6.1 配置基础上，再加一个通道2的捕获配置：
TIM_ICStructInit(&ic);
ic.TIM_Channel     = TIM_Channel_2;              // CH2 借用 CH1 的信号
ic.TIM_ICPolarity  = TIM_ICPolarity_Falling;     // 下降沿
ic.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_IndirectTI; // 间接：借 TI1（同一条信号）
ic.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
ic.TIM_ICFilter    = 0x00;
TIM_ICInit(TIM5, &ic);

// 中断里：
//   CH1 上升沿 → 算周期 = 相邻两次 CCR1 差值
//   CH2 下降沿 → 高电平时间 = CCR2 - 上次的 CCR1
//   占空比 = (CCR2 - prev_CCR1) / (CCR1 - prev_CCR1)

这一节看懂思路即可。等需要测舵机 / 红外遥控时再回来细抠。

7. 量程与分辨率怎么权衡

测周法的两个指标：

矛盾：计数时钟越高，分辨率越好但量程越短。选法：

先定量程：被测最低频率 f_min → 需要量程 ≥ 1/f_min → 选计数时钟 ≤ 65535 × f_min
再提分辨率：在量程允许内，尽量把计数时钟调高

误差来源（不展开数电，但要有概念）：

• ±1 tick 的量化误差：边沿落在两个 tick 之间。不可避免，但相对误差 = 1/周期tick，周期越长误差越小。
• 触发点抖动、被测信号本身不稳定。

8. 常见坑

1. GPIO 配成 AF_PP：输入捕获引脚要输入模式（IN_FLOATING / IPU / IPD），不是输出复用。
2. 忘了开捕获中断：TIM_ITConfig(TIM5, TIM_IT_CC1, ENABLE)。同时 NVIC 也要使能，两个开关（回顾中断篇"四步曲"）。
3. 第一次捕获就拿来算周期：没有"上一次时间戳"，算出来是垃圾。要跳过第一次。
4. 16 位溢出没处理：周期超过 65535 tick 时差值失真。要么用溢出计数，要么确保量程足够。
5. 极性搞反：想测上升沿却配了 Falling，得到的是"两个下降沿"的周期，如果信号占空比不是 50% 就不对。
6. CCR 读数"抖"：先怀疑信号噪声，加 TIM_ICFilter；再怀疑被测信号本身不稳定。
7. 主循环读 period_ticks 没加保护：中断在改、主循环在读，至少加 volatile；追求严谨可临时关中断再读。
8. 频率数值对不上：确认定时器时钟算的是 72MHz（APB1 分频 ≠ 1 时通用定时器 ×2），不是 36MHz。

9. 调试自查清单

• 引脚是输入模式吗？信号确实接在 TIMx_CHy 对应引脚上了吗？

• 定时器时钟算对了吗（72MHz，不是 APB1 的 36MHz）？

• 捕获中断 + NVIC 都开了吗？

• 串口能打印吗？先用示波器 / 信号发生器确认有信号。

• 第一次捕获跳过了吗？

• 周期值数量级对吗？（1MHz 时钟下，1kHz 信号应测到约 1000 tick）

• 频率太高导致 tick 太少？换测频法；频率太低导致溢出？处理溢出或降时钟。

附录：本笔记用到的标准库函数

进阶：测频法（想清楚思路，以后用得上）

高频信号用测周法会崩（周期 tick 太少）。测频法思路：

1. 把被测信号接到定时器的外部时钟输入（ETR 或某个 TI），让硬件直接数脉冲。
2. 用另一个定时器产生一个精确的闸门时间（比如 1 秒）。
3. 闸门开 → 计数器开始数 → 闸门关 → 读出计数值 = 频率。

STM32 标准库里涉及的函数是 TIM_ETRConfig、TIM_SelectInputTrigger、TIM_SelectSlaveMode（门控模式）。等把本篇的测周法吃透，再研究它。

学习路线衔接：输入捕获 = "定时器读波形"，配合你已学的中断、定时器、PWM，已经把定时器这个外设玩转了八成。接下来建议按路线学 串口（USART）——很多调试信息要打印出来你才能看到（本篇示例里的 printf 就是靠它）。