STM32的頻率采集方法在實時操作系統的應用

呂新 張博 劉志堅 王瑞 闞京波

（中車大連機車研究所有限公司 遼寧省大連市 116000）

STM32F4 系列是意法公司基于arm 內核的中端產品，擁有數量較多的通用定時器[1]，及DMA 通道。針對捕獲頻率方法，通用定時器擁有豐富的配置方案。

工控系統中，頻率采集是一項基本功能。頻率輸入量一般為PWM 波或者正弦波樣式，通過硬件光耦轉換為高低電平。軟件計算頻率方法根據ST 系統配置模式的不同，會稍有區別。但為了精度要求，都要滿足奈奎斯特采樣定律，在大于10 倍采樣頻率才會有較高的精度[2]。對于一般捕獲模式及計頻方法，通過電平變化時間差，計算頻率；對與PWM 輸入捕獲模式，只需要設置定時器采樣頻率，計數上升沿或者下降沿數量，可計算出頻率，通過DMA模式，不中斷實時系統的任務，很大程度減輕系統的工作量。

1 控制方案

1.1 捕獲采樣

配置定時器模式為捕獲模式，捕獲上升、下降沿時間，若捕獲周期過低，則會存在N 次溢出，就需要對可能溢出次數預估，做出判斷。如圖1所示，若定時器周期為T，t1 時刻計數值CNT1，t2 時刻捕獲值為CNT2，兩次捕獲值相減，需要注意，加上溢出次數，否則會丟失頻率。若預分頻設為0，自動重裝值設為T，計算公式為CNT1＞CNT2 時，(CNT1-CNT2) * N*T，若CNT1＜CNT2 時，計算公式為N*T-CNT2 +CNT1。

圖1：捕獲采樣原理

捕獲采樣面臨的問題是，定時器的周期設置不能過小，否則采樣精度會下降。此時中斷會對系統任務有很大影響，尤其當多通道采集頻率時，實時任務響應不及時的現象時有發生，CPU 占用率高。

1.2 計頻方式

計頻模式是利用STM32 自帶的ETR 引腳計算脈沖數，捕獲步驟如圖2所示，設置為向上計數器，分頻一般設置為0 即可，濾波器在這里設置為5 次濾波，設置為外部計數模式2。

圖2：計頻方式時鐘原理圖

可以利用實時系統時間鉤子函數，每隔N 毫秒中斷一次并讀取計數，兩次相減即為N 毫秒的計數值cnt，再算出次數cout = 1000/N,頻率即為cnt * cout。

捕獲模式的問題是，為了采集精度，計數值計算需要頻繁中斷累加計數值，頻率采集和實時系統會互相影響，CPU 占用率高。

1.3 PWM輸入捕獲DMA方法

DMA 是直接通過外設到內存的處理模式，廣泛應用于高速信號處理相關領域[3]，在本方法中主要發生在捕獲采樣階段，通過FIFO 不斷刷新內存緩沖數組中的數據，避免了CPU 被占用過多的資源，PWM 輸入捕獲以定時器1 通道為例，如圖3所示，通過濾波器，設置為5 次，邊沿檢測通過配置設置，一般設置為上升沿，本次利用從控制器的捕獲控制。一般PWM 輸入捕獲有兩個通道，分別為TI1FP1 和TI2FP2，利用其中一個計算頻率，另一個計算占空比。通過定時器DMA 相應通道傳輸數據。捕獲計數為cnt,根據PWM 輸入捕獲的模式方法，與捕獲方法的最大不同為，每一個新周期cnt 重新清零。定時器時鐘周期為F，則頻率為F/cnt。

圖3：PWM 輸入捕獲方法模塊原理圖

PWM 輸入捕獲獲DMA 傳輸方法的問題是，數據DMA 中采集有一定波動，需要利用中值濾波進行濾波。

2 方案的具體實施

2.1 捕獲采樣的實現

利用通用定時器配置計數周期，根據引腳外圍定義設置IC 通道，設置相關的IC 捕獲屬性。同時配置NVIC 中斷管理器相關優先級，使能定時器的捕獲中斷配置信息。在中斷中計算兩次上升沿計數差值，在實時系統fi 任務中對頻率量作中值濾波[4]。計算頻率具體核心配置代碼如下：

TIMx_ICInitStructure.TIM_Channex = TIM_Channel_x;

TIMx_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;

TIMx_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;

TIMx_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;

TIMx_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;

TIM_ICInit(TIMx, &TIMx_ICInitStructure);

2.2 計頻方式的實現

根據引腳定義，初始化相關引腳為外部捕獲引腳，系統設置定時器參數，預分頻設置為0，周期設置為0xffff,模式為外部時鐘模式2.需根據采樣精度需要設置定時器中斷，本設計中利用系統自帶時間鉤子函數,在鉤子函數中對外部捕獲（時鐘）信息計數，精度精確到1HZ。在實時系統fi 任務中對相鄰的兩次計數值相減，對此值累加1000 次，即為周期數。

2.3 PWM輸入捕獲DMA方法

PWM 輸入捕獲是一種特殊的捕獲方式，也可以說是一種簡化的捕獲方案。定時器配置方案與捕獲采樣基本相同，只需要多配置一個模式選擇，同時根據圖3配置相應時鐘從模式相應參數，如下代碼所示。重點需要考慮DMA 的相關配置。

（1）DMA 配置基本信息；DMA 通道、DMA 外設基準地址、DMA 內存基準地址、DMA 傳輸方向、DMA 傳輸數組大小、數據格式等；

（2）DMA 模式設置為循環模式、FIFO 模式禁止。

（3）使能DMA。

（4）使能相應定時器DMA 請求。

TIM_PWMIConfig(TIMx, &TIMx_ICInitStructure); // 使能PWM 捕獲模式

TIM_SelectInputTrigger(TIMx, TIM_TS_TI1FP1); //選擇輸入捕獲的觸發信號

TIM_SelectSlaveMode(TIM2, TIM_SlaveMode_Reset);// PWM 輸入模式時，從模式必須工作在復位模式，當捕獲開始時，計數器CNT 被復位清零；

TIM_SelectMasterSlaveMode(TIM2,TIM_MasterSlaveMode_Enable);

根據系統的采樣精度要求，系統采樣頻率上限為5000HZ，那么若一個DMA 緩沖區數據長度設置為10，在實時系統fi 任務中周期設置為10ms，讀取一次DMA 的傳輸結果的在一個任務周期中會有50 個周期，若一個fi 任務中周期設置為100ms，讀取一次DMA的傳輸結果的在一個任務周期中會有500 個周期，并在任務中作中值濾波，基本滿足性能要求。

3 實驗驗證

3.1 實時系統CPU占用率及所剩空間實驗

在實時系統中分別建立不同的功能任務，且主要邏輯任務為motor_task,motor_another_task，實時任務在系統運行過程中處于不同的三種狀態[5]，在這些任務中調用了fi/fi_detect_task 中的頻率頻率采集值，系統中分別多次調用三種采集方式，為了保證實驗的準確性，剩余部分代碼未變化，計算系統信息參數配置相同。如圖4所示，觀察CPU 剩余堆棧及占用率及變化，可以得到以下結果：

圖4

（1）主要實時主要邏輯任務motor_task 對應上述三種采集方式所剩堆棧數量，可以得到采用中斷捕獲中任務處于阻塞態，剩余堆棧數179；采用計頻方法，任務處于運行態，剩余堆棧數179；采用PWM 輸入捕獲DMA 方式，任務處于運行態，剩余堆棧數187；另一個實時任務motor_another_task，對應上述三種方式，分別為阻塞態，運行態，運行態。所剩堆棧數分別為168，179，187。

（2）主要實時主要邏輯任務motor_task 對應上述三種采集方式運行計數值，可以得到采用中斷捕獲中任務處于阻塞態，任務運行計數為6228；采用計頻方法，任務處于運行態，任務運行計數為3450；采用PWM 輸入捕獲DMA 方式，任務處于運行態，任務運行計數為357；另一個實時任務motor_another_task，對應上述三種方式，分別為阻塞態，運行態，運行態。任務運行計數分別為15276，72941，310。

從上述數據可以看出，使用捕獲采樣中斷方式對CPU 的運行效率影響是最大的，第二是計頻采集方式，對CPU 影響最小的是PWM 輸入捕獲DMA 方法。

3.2 頻率精度實驗

使用頻率信號發生器對三種采樣方式在實時系統中測量分析，數據對比表如表1所示。

表1：頻率測量對比

從表1可以看出，基于PWM 輸入捕獲DMA 采樣值在1kHz以內，相比其他兩種方法有更高的精度，當大于1kHz 小于3kHz 時，小于等于1Hz 的誤差，也基本滿足一般條件工況的測量精度要求，當大約3kHz 時，誤差逐步增大，精度下降。

4 結論

本文提出的PWM 輸入捕獲DMA 方法配合實時系統應用，能夠很大程度的減輕實時系統中對CPU 的資源的占用，提高了系統的實時性響應性，提升了軟件的執行效率；且在一般應用條件下滿足對頻率采集的精度要求。不額外增加頻率采樣器件，減少了額外的硬件成本。