基于單片機的信號測量教學案例設計

摘要：為了鍛煉學生單片機系統軟硬件設計能力，為工程實際應用打下堅實基礎，根據學生專業特點，精心設計了基于單片機的信號測量實踐教學案例。本案例實現了信號的周期、頻率測量和通過串口傳輸，經過改進后還可以實現占空比的測量。

關鍵詞：CubeMx，前后臺編程，輸入捕獲，占空比

一、引言

《單片機原理及應用》是計算機科學與技術專業嵌入式方向的一門研究微機原理、接口技術及程序設計的專業拓展課程。本課程擔負著認識理解微控制器工作原理、掌握單片機控制系統應用設計，為嵌入式專業課程打下專業基礎的任務[1-2]。本課程簡明扼要地講授STM32單片機芯片的硬件結構和工作原理，系統討論了單片機主要系統資源的設計方法，并為單片機系統設計進行了必要準備。主要內容包括STM32單片機的硬件結構、C語言程序設計、單片機內部主要模塊的功能實現、外部接口的應用設計以及初步的單片機應用系統設計等內容。

考慮到課程應用性強的特點，為了鍛煉學生單片機系統軟硬件設計能力，為工程實際應用打下堅實基礎，課程以STM32CubeMX軟件和MDK-ARM軟件來學習單片機編程，其中STM32CubeMX采用圖形化方式完成外設初始化的設計[3]，在MDK-ARM編程中，引入了較多先進的編程思想，硬件采用較新的STM32Nucleo開發板和STM32F411RE控制器。

課程在鍛煉學生軟硬件設計能力的同時，引入了前后臺編程思想、圖形化的初始化設計思想、狀態機設計思想等，并引入了實際項目開發中自定義幀格式、復雜信號測量等常用的綜合性技能項目，對于學生實踐能力的鍛煉很有好處。本文以信號測量項目為案例，可以在較短的課時內讓學生掌握單片機定時器、串口的實踐應用。

二、信號測量案例分析

1、任務內容

本次信號測量任務屬于定時器的輸入捕獲功能應用[4-5]，并用到之前學習的定時器PWM輸出功能，以及后續將要介紹的串口通訊。知識點包括引腳選擇、參數計算，數據定義，接口函數調用等，具體實現了信號的周期、頻率測量和通過串口傳輸，經過改進后還可以實現占空比的測量。

外部脈沖信號利用A定時器的某通道產生，利用B定時器的某通道來測量一個外部脈沖信號的周期、頻率和占空比，通過杜邦線與前述測量通道連接。如圖1所示，通過計算t2，t3與t1的時間差，即可實現信號測量，時間差為對應的計數脈沖個數乘以計數脈沖周期數，計數脈沖個數通過輸入捕獲功能進行記錄。

2、設計思路

1）、設置某引腳為定時器A的通道，利用定時器A的PWM輸出功能，輸出一定頻率和占空比的方波;

2）、配置B定時器的某通道為輸入捕獲模式，采用上升沿觸發。設置合理的預分頻系數和最大計數值;

3）、采用前后臺編程模式。在輸入捕獲中斷的回調函數中，設置測量完成標志，主程序中檢測該標志，一旦置位則計算信號的周期和頻率，并清除標志位。

三、項目設置

1、引腳選擇

引導學生在CubeMx軟件的Pinoutview界面查看STM32F411RETx芯片引腳功能。

1）、串口RX、TX引腳選擇。USART1使用PA10、PA9引腳;USART2使用PA3、PA2引腳;USART1使用PC7、PC6引腳。根據硬件實際情況，選擇USART2作為示例，使用PA3、PA2引腳。

2）、在本任務中既需要定時器作輸入捕獲，也需要作PWM輸出來使用，經觀察，在排除PA3、PA2引腳的條件下，定時器的引腳列于下方。

TIM1_CH1：PA8;TIM1_CH2：PA9;TIM1_CH3：PA10;TIM1_CH4：PA11;

TIM2_CH1：PA0，PA5，PA15;TIM2_CH2：PA1，PB3;TIM2_CH3：PB10;

TIM3_CH1：PA6，PB4，PC6;TIM3_CH2：PA7，PB5，PC7;TIM3_CH3：PB0，PC8;TIM3_CH4：PB1，PC9;

TIM4_CH1：PB6;TIM4_CH2：PB7;TIM4_CH3：PB8;TIM4_CH4：PB9;

TIM5_CH1：PA0;TIM5_CH2：PA1;

TIM10_CH1：PB8;TIM11_CH1：PB9;

經討論，根據被提問學生的意見選擇一組，比如示例中選擇TIM1_CH1的PA8、TIM2_CH1的PA0，分別作為PWM輸出和輸入捕獲功能使用，實物中將兩引腳連接起來。選擇的引腳如圖2所示。

2、TIM1配置：

1）ClockSource：InternalClock，選擇時鐘源為內部時鐘;

2）Channel1：PWMGenerationCH1，選擇通道1為PWM輸出;

3）如果輸出一個頻率為50KHz，占空比60%的方波，該如何設計參數？

根據公式Period=（ARR+1）（PSC+1）/TIM1_CLK，其中周期Period=1/50K=20us，TIM1_CLK=100MHz，引導學生計算ARR和PSC的取值，從學生計算的結果中選擇一組，比如ARR=19（CounterSettings的CounterPeriod參數），PSC=99（CounterSettings的Prescaler參數）;

根據占空比60%，易于算出CCR（PWMGenerationChannel 1 的Pulse參數）應為12。

3、TIM2配置：

1）ClockSource：InternalClock，選擇時鐘源為內部時鐘;

2）Channel1：InputCapturedirectmode，選擇通道1為輸入捕獲模式，捕獲通道為直接輸入方式;

3）引導學生分析ARR和PSC的值該如何選取：輸入的方波信號在邊沿處將進行捕獲，此時記錄下計數值（最大為ARR），顯然ARR越大，可以測量的信號脈寬越大，故此處應將ARR設的足夠大，建議ARR（CounterSettings的CounterPeriod參數）取最大值0XFFFFFFFF;計數的周期越小，對信號周期的測量越準確，故沒必要預分頻，建議PSC（CounterSettings的Prescaler參數）取0;

4）在邊沿處進行捕獲時，采用中斷方式處理較為方便，故將NVICSettings的TIM4 globalinterrupt使能。

4、系統內核設置

1）在RCC模式和配置中，將HSE來源設為旁路時鐘源（BYPASS Clock Source）;

2）在SYS模式和配置中，將debug設置為串口調試（SerialWire）;

5、時鐘配置

1）Inputfrequency（輸入時鐘頻率）：8MHz;

2）PLLSourceMux（鎖相環時鐘源）：HSE;

3）SystemClockMux（系統時鐘源）：PLLCLK;

4）HCLK：100MHz。

四、程序設計

1、變量定義

2、用戶初始化設置

用戶初始化流程如圖3（a）所示，是在由CubeMx軟件自動生成的外設初始化代碼之后，由用戶編寫的初始化代碼，實現了啟動TIM2_CH1的輸入捕獲和啟動TIM1_CH1的PWM輸出功能。

3、前臺程序

前臺程序如圖3（b）所示，其中第一、第二次捕獲分別對應圖1的t1和t3時刻，完成2次捕獲后，將置位測量完成標志MeasureFlag = 1，供后臺程序使用。

4、后臺程序

當前臺（即TIM2的輸入捕獲中斷函數）測量完成，即捕獲到圖1中的t1和t3時刻計數值，后臺將在死循環中計算捕獲差值，并計算信號周期、頻率通過串口輸出，當然還要清除測量完成標志，以利于新的捕獲，其流程如圖4（a）所示。

討論：程序中通過計算TIM2兩次捕獲值之差，乘以1個脈沖的周期（1/100000000s），計算得到測量信號周期。很明顯只適用于測量信號周期不太大的情況，因為一旦測量信號周期太大，TIM2的第二個捕獲值可能溢出。引導學生討論測量信號周期的最大值，易于計算得到，應為（0xFFFFFFFF+）/100000000=42.95s，足夠滿足普通應用需求。

如果想擴大對被測信號周期的測量，可以考慮第二次捕獲加上計數溢出值即可。對應的程序流程如圖4（b）所示。當然修改后的程序，對測量信號周期仍然有范圍限制，易于想到，其值約為42.95×2=84s。

5、實驗結果

編譯并燒寫可執行文件后，可在實物上觀察對信號周期和頻率的測量結果。連接串口，接收到的結果如下框所示，非常準確。

五、案例的改進

在上述案例中，通過捕獲t1，t3時刻的計數值后計算差值，即可完成對信號周期和頻率的測量。如果想實現占空比的測量，思路也較為簡單，下面從前后臺程序分別進行介紹。

1、前臺程序

如圖5所示，第一次捕獲對應t1時刻（見圖1），將保存捕獲值CapVal1，修改捕獲標識CapIndex=1，以及設置為下降沿中斷。接下來在下降沿時，將再次成功捕獲對應t2時刻，根據捕獲標志即可判斷出屬于第二次捕獲，此時保存捕獲值CapVal2，修改捕獲標識CapIndex=2，以及設置為上升沿中斷。接下來在上升沿時，將再次成功捕獲對應t3時刻，根據捕獲標志即可判斷出屬于第三次捕獲，此時保存捕獲值CapVal3，重置捕獲標識CapIndex=0，并置位測量完成標識MeasureFlag=1，供后臺程序查詢使用。

2、后臺程序

后臺程序流程圖見圖6所示，分別根據CapVal2與CapVal1的差值、CapVal3與CapVal1的差值是否大于零，判斷TIM2是否在圖1中的t2與t1中間、t3與t1中間存在計數溢出情況，如存在將分別加上2^32，從而擴大了對信號周期的測量范圍，具體分析與四、4節的分析類似。

3、實驗結果

編譯并燒寫可執行文件后，可在實物上觀察對信號周期、頻率和占空比的測量結果。連接串口，接收到的結果如下所示，非常準確。

六、總結

從本案例可以看出，課程體現了較強的應用性，學生通過STM32CubeMX軟件的圖形化操作完成外設初始化的設計，將在MDK-ARM軟件中自動生成初始化代碼;在MDK-ARM編程應用時，采用了前后臺的編程思想，使得程序結構較為清晰;案例實踐中，引入了定時器計數溢出、通過修改邊沿捕獲方式計算信號占空比等討論，對定時器的設計應用學習更為深入。通過對本案例的設計、討論與實現，培養了硬件設計和軟件設計技能，開發了學生的創新思維，提高學生的自學、分析和解決問題的能力。

參考文獻

[1]許江河， 高緒紅. 基于單片機的多路信號采集測量系統設計與實現[J]. 電子科學技術， 2015， 2（005）：547-551.

[2]金國華， 滕君華. 基于單片機的出租車計價器實驗教學案例設計[J]. 信息技術與信息化， 2019， 000（003）：93-95.

[3]羅清龍， 馮敏， 李清濤. 基于STM32CubeMX嵌入式實驗教學改革實踐[J]. 計算機教育， 2018， 000（001）：155-158.

[4]李建波， 張永亮， 梁振華. STM32CubeMX定時器中斷回調函數的研究[J]. 電腦知識與技術， 2020， v.16（08）：254-255+279.

[5]李建波， 潘必超， 邱陽林. 基于STM32CubeMX外部中斷回調函數的研究[J]. 電子世界， 2020， No.586（04）：13-14.

作者簡介：李向陽（1984-），男，浙江寧波人，博士，副教授，主要研究方向為嵌入式系統開發

[項目]教育部2019年第二批產學合作協同育人項目：《單片機原理及應用》重構式教學示范課程（項目編號：201902312002）;寧波市公益項目（項目編號：2019C10051）