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外观

8. 输入捕获 ​

📝本节您将了解输入捕获的工作原理，学习如何利用定时器的捕获功能测量外部信号的频率和占空比。

🏆本章目标

1️⃣ 理解输入捕获的工作原理

2️⃣ 了解频率和占空比的测量方法

3️⃣ 通过 SysConfig 配置定时器输入捕获

4️⃣ 实现外部 PWM 信号的频率和占空比测量

8.1 输入捕获概念 ​

输入捕获是 PWM 输出的"逆操作"——PWM 是产生一个已知频率和占空比的信号，输入捕获则是测量一个未知信号的频率和占空比。

工作原理：当捕获引脚检测到指定边沿（上升沿或下降沿）时，硬件自动将当前定时器计数值锁存到捕获寄存器中。通过读取连续两次捕获的计数值之差，即可计算出信号的周期（进而得到频率）。

外部信号：  ┌───┐   ┌───┐   ┌───┐
            │   │   │   │   │   │
        ────┘   └───┘   └───┘   └───
            ↑       ↑       ↑
           C1      C2      C3       ← 上升沿捕获时刻

信号周期 T = C2 - C1（计数值之差）
信号频率 f = 计数频率 / (C2 - C1)

测量占空比 ​

要测量占空比，需要同时捕获上升沿和下降沿：

        ┌───────┐       ┌───────┐
        │       │       │       │
    ────┘       └───────┘       └────
        ↑       ↑       ↑
       R1      F1      R2

周期 T = R2 - R1（两次上升沿之差）
高电平时间 = F1 - R1（上升沿到下降沿之差）
占空比 = (F1 - R1) / (R2 - R1) × 100%

8.2 MSPM0G3519 输入捕获资源 ​

MSPM0G3519 的 TIMG 和 TIMA 定时器均支持输入捕获功能。每个捕获/比较（CC）通道可配置为捕获模式，独立触发。

定时器位宽捕获通道数适用场景
TIMG016-bit2基础频率测量
TIMG716-bit2基础频率测量
TIMG832-bit2高精度 / 长周期测量
TIMA016-bit4多通道同时捕获
TIMA116-bit4编码器 / 多通道

位宽选择

  • 16-bit 定时器：最大计数 65535。如果计数频率为 1MHz，最大可测量周期为 65.535ms（最低频率约 15Hz）。
  • 32-bit 定时器（TIMG8）：最大计数 4294967295，可测量极低频率信号。

如果被测信号频率较低（< 15Hz），使用 TIMG8 或增大预分频。

天巧星编码器引脚 ​

天巧星板载旋转编码器接在 TIMG8：

  • PA29 → TIMG8 CCP0（编码器 A 相）
  • PA30 → TIMG8 CCP1（编码器 B 相）
  • PA31 → 编码器按键

本章实验使用其他空闲定时器通道进行输入捕获演示。

8.3 SysConfig 配置输入捕获 ​

8.3.1 配置定时器为捕获模式 ​

  1. 打开 .syscfg 文件
  2. 左侧面板找到 CAPTURE 或 TIMER 选项卡
  3. 添加一个 Timer 实例，配置为捕获模式
参数设置值说明
NameCAPTURE_0实例名称
Timer ModuleTIMG0选择定时器
Timer ModeCapture捕获模式
Timer Clock SourceBUSCLK32MHz
Timer Clock Prescaler32预分频（计数频率 1MHz）
Capture EdgeRising Edge上升沿捕获
Capture Pin选择输入引脚连接被测信号的引脚
Interrupt EnableEnable使能捕获中断

计数频率选择

计数频率决定了测量精度和量程：

  • 计数频率越高 → 分辨率越高（测量越精确）→ 但量程越小（溢出越快）
  • 计数频率越低 → 分辨率越低 → 但量程越大（可测低频信号）

1MHz 计数频率是一个平衡选择：分辨率 1μs，16-bit 定时器量程约 65ms（15Hz ~ 500kHz）。

保存并编译。

8.4 频率测量实验 ​

8.4.1 测量原理 ​

使用上升沿捕获。每次上升沿到来时，记录当前计数值。相邻两次捕获值之差即为信号周期（以计数值为单位）。

频率 = 计数频率 / (capture2 - capture1)

8.4.2 实验代码 ​

c
#include "ti_msp_dl_config.h"
#include <stdio.h>

volatile uint32_t capture_val1 = 0;
volatile uint32_t capture_val2 = 0;
volatile uint8_t capture_flag = 0;
volatile uint8_t capture_count = 0;

void uart_send_string(const char *str)
{
    while (*str) {
        while (DL_UART_Main_isBusy(UART_0_INST));
        DL_UART_Main_transmitData(UART_0_INST, *str++);
    }
}

int main(void)
{
    SYSCFG_DL_init();

    NVIC_EnableIRQ(CAPTURE_0_INST_INT_IRQN);
    DL_TimerG_startCounter(CAPTURE_0_INST);

    char buf[64];

    while (1) {
        if (capture_flag) {
            capture_flag = 0;

            // 计算频率（计数频率 = 1MHz）
            uint32_t period_count = capture_val2 - capture_val1;
            if (period_count > 0) {
                uint32_t freq = 1000000 / period_count;  // Hz
                sprintf(buf, "Freq: %lu Hz, Period: %lu us\r\n", freq, period_count);
                uart_send_string(buf);
            }
        }
        delay_cycles(3200000);  // 100ms 输出一次
    }
}

// 定时器捕获中断
void TIMG0_IRQHandler(void)
{
    switch (DL_TimerG_getPendingInterrupt(CAPTURE_0_INST)) {
        case DL_TIMER_IIDX_CC0_DN:  // CC0 捕获事件
            if (capture_count == 0) {
                capture_val1 = DL_TimerG_getCaptureCompareValue(
                    CAPTURE_0_INST, DL_TIMER_CC_0_INDEX);
                capture_count = 1;
            } else {
                capture_val2 = DL_TimerG_getCaptureCompareValue(
                    CAPTURE_0_INST, DL_TIMER_CC_0_INDEX);
                capture_count = 0;
                capture_flag = 1;
            }
            break;
        default:
            break;
    }
}

代码说明

  • 第一次上升沿到来时保存计数值到 capture_val1
  • 第二次上升沿到来时保存到 capture_val2，并设置 capture_flag
  • 主循环检测 flag 后计算频率并通过串口输出
  • 计数频率为 1MHz，所以周期计数值直接等于微秒数

8.4.3 测试方法 ​

将天巧星的一个 PWM 输出引脚（如上一章配置的 PWM 输出）用杜邦线连接到捕获输入引脚，即可测量自身产生的 PWM 信号频率。

或使用信号发生器输出已知频率的方波，验证测量精度。

8.5 占空比测量实验 ​

测量占空比需要同时捕获上升沿和下降沿。一种实现方式是在每次捕获中断中动态切换捕获边沿：

c
#include "ti_msp_dl_config.h"
#include <stdio.h>

volatile uint32_t rising_val = 0;
volatile uint32_t falling_val = 0;
volatile uint32_t period_val = 0;
volatile uint8_t measure_state = 0;  // 0:等待上升沿1, 1:等待下降沿, 2:等待上升沿2
volatile uint8_t result_ready = 0;

void uart_send_string(const char *str)
{
    while (*str) {
        while (DL_UART_Main_isBusy(UART_0_INST));
        DL_UART_Main_transmitData(UART_0_INST, *str++);
    }
}

int main(void)
{
    SYSCFG_DL_init();

    NVIC_EnableIRQ(CAPTURE_0_INST_INT_IRQN);
    DL_TimerG_startCounter(CAPTURE_0_INST);

    char buf[64];

    while (1) {
        if (result_ready) {
            result_ready = 0;

            uint32_t high_time = falling_val - rising_val;
            uint32_t total_period = period_val - rising_val;

            if (total_period > 0) {
                uint32_t freq = 1000000 / total_period;
                uint32_t duty = high_time * 100 / total_period;
                sprintf(buf, "Freq: %lu Hz, Duty: %lu%%\r\n", freq, duty);
                uart_send_string(buf);
            }
        }
        delay_cycles(3200000);
    }
}

void TIMG0_IRQHandler(void)
{
    switch (DL_TimerG_getPendingInterrupt(CAPTURE_0_INST)) {
        case DL_TIMER_IIDX_CC0_DN: {
            uint32_t cap = DL_TimerG_getCaptureCompareValue(
                CAPTURE_0_INST, DL_TIMER_CC_0_INDEX);

            switch (measure_state) {
                case 0:  // 第一个上升沿
                    rising_val = cap;
                    // 切换为下降沿捕获
                    DL_TimerG_setCaptCompEdgeDetectMode(CAPTURE_0_INST,
                        DL_TIMER_CC_0_INDEX, DL_TIMER_CC_EDGE_DETECTION_FALLING);
                    measure_state = 1;
                    break;
                case 1:  // 下降沿
                    falling_val = cap;
                    // 切换回上升沿捕获
                    DL_TimerG_setCaptCompEdgeDetectMode(CAPTURE_0_INST,
                        DL_TIMER_CC_0_INDEX, DL_TIMER_CC_EDGE_DETECTION_RISING);
                    measure_state = 2;
                    break;
                case 2:  // 第二个上升沿
                    period_val = cap;
                    measure_state = 0;
                    result_ready = 1;
                    break;
            }
            break;
        }
        default:
            break;
    }
}

注意事项

  • 捕获值可能发生溢出（计数器回绕），实际应用中需要处理溢出情况
  • 高频信号测量时注意中断处理速度是否跟得上
  • 低频信号测量时考虑使用 32-bit 定时器（TIMG8）避免溢出
  • 动态切换边沿检测有一定延迟，极高频信号下可能引入误差

8.6 定时器溢出处理 ​

当被测信号频率很低时，定时器可能在两次捕获之间发生溢出（计数器回绕到 0）。需要额外计数溢出次数：

c
volatile uint32_t overflow_count = 0;

// 在定时器溢出中断中
case DL_TIMER_IIDX_ZERO:
    overflow_count++;
    break;

// 计算实际周期时
uint32_t actual_period = (overflow_count * 65536) + capture_val2 - capture_val1;

对于大多数实际应用（测量 50Hz 以上的信号），使用 1MHz 计数频率和 16-bit 定时器不会溢出。

8.7 知识总结 ​

内容说明
输入捕获本质边沿触发时锁存定时器计数值
频率测量两次同类型边沿的计数差 → 周期 → 频率
占空比测量需捕获上升沿和下降沿，计算高电平占比
精度取决于计数频率（1MHz → 精度 1μs）
量程取决于计数器位宽和预分频
溢出处理低频信号需计数溢出次数

输入捕获使你能够精确测量外部信号参数。下一章将学习 ADC（模数转换），实现对模拟电压信号的数字化采集。