用STM32測(cè)量頻率和占空比有哪幾種方法？

由于我們當(dāng)時(shí)的題目除了測(cè)量頻率之外，更麻煩的是測(cè)量占空比。而這兩個(gè)的測(cè)量方法聯(lián)系比較緊密，所以也一并把測(cè)量占空比的方法寫(xiě)出來(lái)。

使用平臺(tái)：官方STM32F429DISCOVERY開(kāi)發(fā)板，180MHz的主頻，定時(shí)器頻率90MHz。

相關(guān)題目：

(1)測(cè)量脈沖信號(hào)頻率f_O，頻率范圍為10Hz～2MHz，測(cè)量誤差的絕對(duì)值不大于0.1%。(15分)

(2)測(cè)量脈沖信號(hào)占空比D，測(cè)量范圍為10%～90%，測(cè)量誤差的絕對(duì)值不大于2%。(15分)

思路一：外部中斷

思路：這種方法是很容易想到的，而且對(duì)幾乎所有MCU都適用(連51都可以)。方法也很簡(jiǎn)單，聲明一個(gè)計(jì)數(shù)變量TIM_cnt，每次一個(gè)上升沿/下降沿就進(jìn)入一次中斷，對(duì)TIM_cnt++，然后定時(shí)統(tǒng)計(jì)即可。如果需要占空比，那么就另外用一個(gè)定時(shí)器統(tǒng)計(jì)上升沿、下降沿之間的時(shí)間即可。

缺點(diǎn)：缺陷顯而易見(jiàn)，當(dāng)頻率提高，將會(huì)頻繁進(jìn)入中斷，占用大量時(shí)間。而當(dāng)頻率超過(guò)100kHz時(shí)，中斷程序時(shí)間甚至將超過(guò)脈沖周期，產(chǎn)生巨大誤差。同時(shí)更重要的是，想要測(cè)量的占空比由于受到中斷程序影響，誤差將越來(lái)越大。

總結(jié):我們當(dāng)時(shí)第一時(shí)間就把這個(gè)方案PASS了，沒(méi)有相關(guān)代碼(這個(gè)代碼也很簡(jiǎn)單)。不過(guò)，該方法在頻率較低(10K以下)時(shí)，可以拿來(lái)測(cè)量頻率。在頻率更低的情況下，可以拿來(lái)測(cè)占空比。

思路二：PWM輸入模式

思路：翻遍ST的參考手冊(cè)，在定時(shí)器當(dāng)中有這樣一種模式：

簡(jiǎn)而言之，理論上，通過(guò)這種模式，可以用硬件直接測(cè)量出頻率和占空比。當(dāng)時(shí)我們發(fā)現(xiàn)這一模式時(shí)歡欣鼓舞，以為可以一步解決這一問(wèn)題。

但是，經(jīng)過(guò)測(cè)量之后發(fā)現(xiàn)這種方法測(cè)試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定也不精確，數(shù)據(jù)不停跳動(dòng)，且和實(shí)際值相差很大。ST的這些功能經(jīng)常有這種問(wèn)題，比如定時(shí)器的編碼器模式，在0點(diǎn)處頻繁正負(fù)跳變時(shí)有可能會(huì)卡死。這些方法雖然省事，穩(wěn)定性卻不是很好。

經(jīng)過(guò)線性補(bǔ)償可以一定程度上減少誤差(參數(shù)在不同情況下不同)：

freq=Frequency*2.2118-47.05;

思路三：輸入捕獲

思路：一般來(lái)說(shuō)，對(duì)STM32有一定了解的壇友們?cè)跍y(cè)量頻率的問(wèn)題上往往都會(huì)想到利用輸入捕獲。首先設(shè)定為上升沿觸發(fā)，當(dāng)進(jìn)入中斷之后(rising)記錄與上次中斷(rising_last)之間的間隔(周期，其倒數(shù)就是頻率)。再設(shè)定為下降沿，進(jìn)入中斷之后與上升沿時(shí)刻之差即為高電平時(shí)間(falling-rising_last)，高電平時(shí)間除周期即為占空比。

該方法尤其是在中低頻(<100kHz)之下精度不錯(cuò)。

缺點(diǎn)：稍有經(jīng)驗(yàn)的朋友們應(yīng)該都能看出來(lái)，該方法仍然會(huì)帶來(lái)極高的中斷頻率。在高頻之下，首先是CPU時(shí)間被完全占用，此外，更重要的是，中斷程序時(shí)間過(guò)長(zhǎng)往往導(dǎo)致會(huì)錯(cuò)過(guò)一次或多次中斷信號(hào)，表現(xiàn)就是測(cè)量值在實(shí)際值、實(shí)際值×2、實(shí)際值×3等之間跳動(dòng)。實(shí)測(cè)中，最高頻率可以測(cè)到約400kHz。

總結(jié)：該方法在低頻率(<100kHz)下有著很好的精度，在考慮到其它程序的情況下，建議在10kHz之下使用該方法。同時(shí)，可以參考以下的改進(jìn)程序減少CPU負(fù)載。

改進(jìn)：

前述問(wèn)題，限制頻率提高的主要因素是過(guò)長(zhǎng)的中斷時(shí)間(一般應(yīng)用情景之下，還有其它程序部分的限制)。所以進(jìn)行以下改進(jìn)：

1. 使用2個(gè)通道，一個(gè)只測(cè)量上升沿，另一個(gè)只測(cè)量下降沿。這樣可以減少切換觸發(fā)邊沿的延遲，缺點(diǎn)是多用了一個(gè)IO口。

2. 使用寄存器，簡(jiǎn)化程序

之所以改用TIM2是因?yàn)門IM5的CH1(PA0)還是按鍵輸入引腳。本來(lái)想來(lái)這應(yīng)當(dāng)也沒(méi)什么，按鍵不按下不就是開(kāi)路嘛。但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)官方開(kāi)發(fā)板上還有一個(gè)RC濾波……

所以，當(dāng)使用別人的程序之前，請(qǐng)一定仔細(xì)查看電路圖。

這樣，最高頻率能夠達(dá)到約1.1MHz，是一個(gè)不小的進(jìn)步。但是，其根本問(wèn)題——中斷太頻繁——仍然存在。

解決思路也是存在的。本質(zhì)上，我們實(shí)際上只需要讀取CCR1和CCR2寄存器。而在內(nèi)存復(fù)制過(guò)程中，面對(duì)大數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)移時(shí)，我們會(huì)想到什么?顯然，我們很容易想到——利用DMA。所以，我們使用輸入捕獲事件觸發(fā)DMA來(lái)搬運(yùn)寄存器而非觸發(fā)中斷即可，然后將這些數(shù)據(jù)存放在一個(gè)數(shù)組當(dāng)中并循環(huán)刷新。這樣，我們可以隨時(shí)來(lái)查看數(shù)據(jù)并計(jì)算出頻率。

改進(jìn)意見(jiàn)，列出如下：

1.可以設(shè)定僅有通道2進(jìn)行下降沿捕獲并觸發(fā)中斷，而通道1捕獲上升沿不觸發(fā)中斷。在中斷函數(shù)當(dāng)中，一次讀取CCR1和CCR2。這樣可以節(jié)省大量時(shí)間。

2.可以先進(jìn)行一次測(cè)量，根據(jù)測(cè)量值改變預(yù)分頻值PSC，從而提高精度

3.間隔采樣。例如每100ms采樣10ms.

這樣的改進(jìn)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⒆罡卟蓸宇l率增加到2M.但是頻率的進(jìn)一步提高仍然不可能。因?yàn)檫@時(shí)的主要矛盾是中斷函數(shù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致CPU還在處理中斷的時(shí)候這一次周期就結(jié)束了，使得最終測(cè)量到的頻率為真實(shí)頻率的整數(shù)倍左右。示意圖如下：

因此，高頻時(shí)仍然推薦以下方法。

思路四：使用外部時(shí)鐘計(jì)數(shù)器

這種方法是我這幾天回答問(wèn)題時(shí)推薦的方法。思路是配置兩個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器a設(shè)置為外部時(shí)鐘計(jì)數(shù)器模式，定時(shí)器b設(shè)置為定時(shí)器(比如50ms溢出一次，也可以用軟件定時(shí)器)，然后定時(shí)器b中斷函數(shù)中統(tǒng)計(jì)定時(shí)器a在這段時(shí)間內(nèi)的增量，簡(jiǎn)單計(jì)算即可。[!--empirenews.page--]

缺點(diǎn)：

1.無(wú)法測(cè)量占空比，高頻的占空比測(cè)量方法見(jiàn)下文。

2.在頻率較低的情況下，測(cè)量精度不如思路3(因?yàn)闇y(cè)量周期為100ms，此時(shí)如果脈沖周期是200ms……)。

3.輸入幅值必須超過(guò)3V 。如果不夠或者超出，需要加入前置放大器。

總結(jié)：這種方法精度很高，實(shí)測(cè)在2MHz之下誤差為30Hz也就是0.0015%(由中斷服務(wù)程序引發(fā)，可以使用線性補(bǔ)償修正)，在25MHz之下也是誤差30Hz左右(沒(méi)法達(dá)到更高的原因是波形發(fā)生器的最大輸出頻率是25MHz^_^)。同時(shí)，從根本上解決了中斷頻率過(guò)高的問(wèn)題。而由于低頻的問(wèn)題，建議：在低頻時(shí)，或者加大采樣間隔(更改TIM7的周期)，或者采用思路3的輸入捕獲。

此外，還有一個(gè)莫名其妙的問(wèn)題就是，中斷當(dāng)中如果不加入sprintf(str,"%3.3f",TIM_ExtCntFreq/1000.0)這一句，TIM_ExtCntFreq就始終為0 。我猜測(cè)是優(yōu)化的問(wèn)題，但是加入volatile也沒(méi)有用，時(shí)間不夠就沒(méi)有理睬了。

思路五：ADC采樣測(cè)量(概率測(cè)量法)

一般的高端示波器，測(cè)量頻率即是這種方法。簡(jiǎn)而言之，高速采樣一系列數(shù)據(jù)，然后通過(guò)頻譜分析(例如快速傅里葉變換FFT)，獲得頻率。F4有著FPU和DSP指令，計(jì)算速度上可以接受。但是ADC的采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到。官方手冊(cè)上聲明，在三通道交替采樣+DMA之下，最高可以達(dá)到8.4M的采樣率。然而，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率至少要達(dá)到信號(hào)的2倍。2M信號(hào)和8.4M的采樣率，即使能夠計(jì)算，誤差也無(wú)法接受。所以，ADC采樣是無(wú)法測(cè)量頻率特別是高頻頻率的。

但是，無(wú)法測(cè)量頻率，卻可以測(cè)量占空比，乃至超調(diào)量和上升時(shí)間(信號(hào)從10%幅值上升到90%的時(shí)間)!原理也很簡(jiǎn)單，大學(xué)概率課上都說(shuō)過(guò)這個(gè)概率基本原理：

當(dāng)采樣數(shù)n趨于無(wú)窮時(shí)，事件A的概率即趨近于統(tǒng)計(jì)的頻率。所以，當(dāng)采樣數(shù)越大，則采樣到的高電平占樣本總數(shù)的頻率即趨近于概率——占空比!

因此，基本思路即是等間隔(速度無(wú)所謂，但必須是保證等概率采樣)采樣，并將這些數(shù)據(jù)存入一個(gè)數(shù)組，反復(fù)刷新。這樣，可以在任意時(shí)間對(duì)數(shù)組中數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得占空比數(shù)據(jù)。

缺點(diǎn)：

1.精度低：實(shí)測(cè)2MHz下誤差約1.3%，低頻時(shí)無(wú)法統(tǒng)計(jì)(比如，頻率10Hz，而ADC采樣時(shí)間50ms。這時(shí)如果采樣時(shí)間中剛好全是高電平，占空比為1……)。

2.內(nèi)存占用大：數(shù)據(jù)池大小為65536，占用了64KB內(nèi)存。

3.有響應(yīng)延遲：測(cè)量出來(lái)的是“平均占空比”而非“瞬時(shí)占空比”。由于我測(cè)試時(shí)使用的是波形發(fā)生器，輸出波形相當(dāng)穩(wěn)定(1W+的價(jià)格畢竟是有它的道理的……)，實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中一般不能夠達(dá)到這樣的水平，勢(shì)必帶來(lái)響應(yīng)延遲(準(zhǔn)確說(shuō)應(yīng)該是采樣系統(tǒng)積分慣性越大)。

4.幅值過(guò)低(0.3V)無(wú)法測(cè)量，過(guò)高則超過(guò)ADC允許最大值。所以必須視情況使用不同的前置放大器。

實(shí)際上使用時(shí)如何取舍，就需要看實(shí)際情況了。畢竟，這只是低成本下的解決方案而已。

綜上，對(duì)這幾種方法做一個(gè)總結(jié)：

外部中斷：編寫(xiě)容易，通用性強(qiáng)。缺點(diǎn)是中斷進(jìn)入頻繁，誤差大。

PWM輸入：全硬件完成，CPU負(fù)載小，編寫(xiě)容易。缺點(diǎn)是不穩(wěn)定，誤差大。

輸入捕獲：可達(dá)到約400kHz。低頻精度高，10Hz可達(dá)到0.01%以下，400kHz也有3%。缺點(diǎn)是中斷頻繁，無(wú)法測(cè)量高頻，幅值必須在3.3~5V之間。

外部時(shí)鐘計(jì)數(shù)器(首選)：可達(dá)到非常高的頻率(理論上應(yīng)當(dāng)是90MHz)和非常低的誤差(2MHz下為0.0015%且可線性補(bǔ)償)。缺點(diǎn)是低頻精度較低，同樣幅值必須在3.3~5V之間。

ADC采樣頻率測(cè)量法：難以測(cè)量頻率，高頻下對(duì)占空比、上升時(shí)間有可以接受的測(cè)量精度(2MHz下約1.3%)，低頻下無(wú)法測(cè)量。幅值0.3~3.3V，加入前置放大則幅值隨意。

ADC采樣頻譜分析：高端示波器專用，STM32棄療。

我采用的方法是：首先ADC測(cè)量幅值并據(jù)此改變前置放大器放大倍數(shù)，調(diào)整幅值為3.3V ，同時(shí)測(cè)量得到參考占空比。而后使用外部時(shí)鐘計(jì)數(shù)器測(cè)量得到頻率，如果較高(>10000)則確認(rèn)為頻率數(shù)據(jù)，同時(shí)ADC測(cè)量占空比確認(rèn)為占空比數(shù)據(jù)。否則再使用輸入捕獲方法測(cè)量得到頻率、占空比數(shù)據(jù)。

對(duì)于各個(gè)方法存在的線性誤差，使用了線性補(bǔ)償來(lái)提高精度。一般情況下，使用存儲(chǔ)在ROM中的數(shù)據(jù)作為參數(shù)，當(dāng)需要校正時(shí)，采用如下校正思路：

波形發(fā)生器生成一些預(yù)設(shè)參數(shù)波形(例如10Hz，10%;100K，50%;2M，90%……)，在不同區(qū)間內(nèi)多次測(cè)量得到數(shù)據(jù)，隨后以原始數(shù)據(jù)為x，真實(shí)數(shù)據(jù)為y，去除異常數(shù)據(jù)之后，做y=f(x)的線性回歸，并取相關(guān)系數(shù)最高的作為新的參數(shù)，同時(shí)存儲(chǔ)在ROM當(dāng)中。