基于单片机的信号测量教学案例设计

摘要：为了锻炼学生单片机系统软硬件设计能力，为工程实际应用打下坚实基础，根据学生专业特点，精心设计了基于单片机的信号测量实践教学案例。本案例实现了信号的周期、频率测量和通过串口传输，经过改进后还可以实现占空比的测量。

关键词：CubeMx，前后台编程，输入捕获，占空比

一、引言

《单片机原理及应用》是计算机科学与技术专业嵌入式方向的一门研究微机原理、接口技術及程序设计的专业拓展课程。本课程担负着认识理解微控制器工作原理、掌握单片机控制系统应用设计，为嵌入式专业课程打下专业基础的任务[1-2]。本课程简明扼要地讲授STM32单片机芯片的硬件结构和工作原理，系统讨论了单片机主要系统资源的设计方法，并为单片机系统设计进行了必要准备。主要内容包括STM32单片机的硬件结构、C语言程序设计、单片机内部主要模块的功能实现、外部接口的应用设计以及初步的单片机应用系统设计等内容。

考虑到课程应用性强的特点，为了锻炼学生单片机系统软硬件设计能力，为工程实际应用打下坚实基础，课程以STM32CubeMX软件和MDK-ARM软件来学习单片机编程，其中STM32CubeMX采用图形化方式完成外设初始化的设计[3]，在MDK-ARM编程中，引入了较多先进的编程思想，硬件采用较新的STM32Nucleo开发板和STM32F411RE控制器。

课程在锻炼学生软硬件设计能力的同时，引入了前后台编程思想、图形化的初始化设计思想、状态机设计思想等，并引入了实际项目开发中自定义帧格式、复杂信号测量等常用的综合性技能项目，对于学生实践能力的锻炼很有好处。本文以信号测量项目为案例，可以在较短的课时内让学生掌握单片机定时器、串口的实践应用。

二、信号测量案例分析

1、任务内容

本次信号测量任务属于定时器的输入捕获功能应用[4-5]，并用到之前学习的定时器PWM输出功能，以及后续将要介绍的串口通讯。知识点包括引脚选择、参数计算，数据定义，接口函数调用等，具体实现了信号的周期、频率测量和通过串口传输，经过改进后还可以实现占空比的测量。

外部脉冲信号利用A定时器的某通道产生，利用B定时器的某通道来测量一个外部脉冲信号的周期、频率和占空比，通过杜邦线与前述测量通道连接。如图1所示，通过计算t2，t3与t1的时间差，即可实现信号测量，时间差为对应的计数脉冲个数乘以计数脉冲周期数，计数脉冲个数通过输入捕获功能进行记录。

2、设计思路

1）、设置某引脚为定时器A的通道，利用定时器A的PWM输出功能，输出一定频率和占空比的方波;

2）、配置B定时器的某通道为输入捕获模式，采用上升沿触发。设置合理的预分频系数和最大计数值;

3）、采用前后台编程模式。在输入捕获中断的回调函数中，设置测量完成标志，主程序中检测该标志，一旦置位则计算信号的周期和频率，并清除标志位。

三、项目设置

1、引脚选择

引导学生在CubeMx软件的Pinoutview界面查看STM32F411RETx芯片引脚功能。

1）、串口RX、TX引脚选择。USART1使用PA10、PA9引脚;USART2使用PA3、PA2引脚;USART1使用PC7、PC6引脚。根据硬件实际情况，选择USART2作为示例，使用PA3、PA2引脚。

2）、在本任务中既需要定时器作输入捕获，也需要作PWM输出来使用，经观察，在排除PA3、PA2引脚的条件下，定时器的引脚列于下方。

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;

经讨论，根据被提问学生的意见选择一组，比如示例中选择TIM1_CH1的PA8、TIM2_CH1的PA0，分别作为PWM输出和输入捕获功能使用，实物中将两引脚连接起来。选择的引脚如图2所示。

2、TIM1配置：

1）ClockSource：InternalClock，选择时钟源为内部时钟;

2）Channel1：PWMGenerationCH1，选择通道1为PWM输出;

3）如果输出一个频率为50KHz，占空比60%的方波，该如何设计参数？

根据公式Period=（ARR+1）（PSC+1）/TIM1_CLK，其中周期Period=1/50K=20us，TIM1_CLK=100MHz，引导学生计算ARR和PSC的取值，从学生计算的结果中选择一组，比如ARR=19（CounterSettings的CounterPeriod参数），PSC=99（CounterSettings的Prescaler参数）;

根据占空比60%，易于算出CCR（PWMGenerationChannel 1 的Pulse参数）应为12。

3、TIM2配置：

1）ClockSource：InternalClock，选择时钟源为内部时钟;

2）Channel1：InputCapturedirectmode，选择通道1为输入捕获模式，捕获通道为直接输入方式;

3）引导学生分析ARR和PSC的值该如何选取：输入的方波信号在边沿处将进行捕获，此时记录下计数值（最大为ARR），显然ARR越大，可以测量的信号脉宽越大，故此处应将ARR设的足够大，建议ARR（CounterSettings的CounterPeriod参数）取最大值0XFFFFFFFF;计数的周期越小，对信号周期的测量越准确，故没必要预分频，建议PSC（CounterSettings的Prescaler参数）取0;

4）在边沿处进行捕获时，采用中断方式处理较为方便，故将NVICSettings的TIM4 globalinterrupt使能。

4、系统内核设置

1）在RCC模式和配置中，将HSE来源设为旁路时钟源（BYPASS Clock Source）;

2）在SYS模式和配置中，将debug设置为串口调试（SerialWire）;

5、时钟配置

1）Inputfrequency（输入时钟频率）：8MHz;

2）PLLSourceMux（锁相环时钟源）：HSE;

3）SystemClockMux（系统时钟源）：PLLCLK;

4）HCLK：100MHz。

四、程序设计

1、变量定义

2、用户初始化设置

用户初始化流程如图3（a）所示，是在由CubeMx软件自动生成的外设初始化代码之后，由用户编写的初始化代码，实现了启动TIM2_CH1的输入捕获和启动TIM1_CH1的PWM输出功能。

3、前台程序

前台程序如图3（b）所示，其中第一、第二次捕获分别对应图1的t1和t3时刻，完成2次捕获后，将置位测量完成标志MeasureFlag = 1，供后台程序使用。

4、后台程序

当前台（即TIM2的输入捕获中断函数）测量完成，即捕获到图1中的t1和t3时刻计数值，后台将在死循环中计算捕获差值，并计算信号周期、频率通过串口输出，当然还要清除测量完成标志，以利于新的捕获，其流程如图4（a）所示。

讨论：程序中通过计算TIM2两次捕获值之差，乘以1个脉冲的周期（1/100000000s），计算得到测量信号周期。很明显只适用于测量信号周期不太大的情况，因为一旦测量信号周期太大，TIM2的第二个捕获值可能溢出。引导学生讨论测量信号周期的最大值，易于计算得到，应为（0xFFFFFFFF+）/100000000=42.95s，足够满足普通应用需求。

如果想扩大对被测信号周期的测量，可以考虑第二次捕获加上计数溢出值即可。对应的程序流程如图4（b）所示。当然修改后的程序，对测量信号周期仍然有范围限制，易于想到，其值约为42.95×2=84s。

5、实验结果

编译并烧写可执行文件后，可在实物上观察对信号周期和频率的测量结果。连接串口，接收到的结果如下框所示，非常准确。

五、案例的改进

在上述案例中，通过捕获t1，t3时刻的计数值后计算差值，即可完成对信号周期和频率的测量。如果想实现占空比的测量，思路也较为简单，下面从前后台程序分别进行介绍。

1、前台程序

如图5所示，第一次捕获对应t1时刻（见图1），将保存捕获值CapVal1，修改捕获标识CapIndex=1，以及设置为下降沿中断。接下来在下降沿时，将再次成功捕获对应t2时刻，根据捕获标志即可判断出属于第二次捕获，此时保存捕获值CapVal2，修改捕获标识CapIndex=2，以及设置为上升沿中断。接下来在上升沿时，将再次成功捕获对应t3时刻，根据捕获标志即可判断出属于第三次捕获，此时保存捕获值CapVal3，重置捕获标识CapIndex=0，并置位测量完成标识MeasureFlag=1，供后台程序查询使用。

2、后台程序

后台程序流程图见图6所示，分别根据CapVal2与CapVal1的差值、CapVal3与CapVal1的差值是否大于零，判断TIM2是否在图1中的t2与t1中间、t3与t1中间存在计数溢出情况，如存在将分别加上2^32，从而扩大了对信号周期的测量范围，具体分析与四、4节的分析类似。

3、实验结果

编译并烧写可执行文件后，可在实物上观察对信号周期、频率和占空比的测量结果。连接串口，接收到的结果如下所示，非常准确。

六、总结

从本案例可以看出，课程体现了较强的应用性，学生通过STM32CubeMX软件的图形化操作完成外设初始化的设计，将在MDK-ARM软件中自动生成初始化代码;在MDK-ARM编程应用时，采用了前后台的编程思想，使得程序结构较为清晰;案例实践中，引入了定时器计数溢出、通过修改边沿捕获方式计算信号占空比等讨论，对定时器的设计应用学习更为深入。通过对本案例的设计、讨论与实现，培养了硬件设计和软件设计技能，开发了学生的创新思维，提高学生的自学、分析和解决问题的能力。

参考文献

[1]许江河， 高绪红. 基于单片机的多路信号采集测量系统设计与实现[J]. 电子科学技术， 2015， 2（005）：547-551.

[2]金国华， 滕君华. 基于单片机的出租车计价器实验教学案例设计[J]. 信息技术与信息化， 2019， 000（003）：93-95.

[3]罗清龙， 冯敏， 李清涛. 基于STM32CubeMX嵌入式实验教学改革实践[J]. 计算机教育， 2018， 000（001）：155-158.

[4]李建波， 张永亮， 梁振华. STM32CubeMX定时器中断回调函数的研究[J]. 电脑知识与技术， 2020， v.16（08）：254-255+279.

[5]李建波， 潘必超， 邱陽林. 基于STM32CubeMX外部中断回调函数的研究[J]. 电子世界， 2020， No.586（04）：13-14.

作者简介：李向阳（1984-），男，浙江宁波人，博士，副教授，主要研究方向为嵌入式系统开发

[项目]教育部2019年第二批产学合作协同育人项目：《单片机原理及应用》重构式教学示范课程（项目编号：201902312002）;宁波市公益项目（项目编号：2019C10051）