一、学习背景和目标1.1 学习背景在嵌入式系统开发中测量外部信号的频率和占空比是一项非常常见的需求。无论是电机转速检测、遥控器信号解码还是传感器数据采集都离不开对脉冲信号的精确测量。传统的测量方法往往需要额外的硬件计数器或复杂的逻辑分析仪不仅成本高而且使用不便。STM32 系列单片机内置了功能强大的定时器Timer模块配合输入捕获Input Capture功能可以轻松实现对 PWM 信号频率和占空比的精确测量。本实验基于 STM32F103 微控制器利用 TIM2 产生 PWM 信号再通过 TIM3 的输入捕获功能对信号进行测量最终在 OLED 屏幕上实时显示测量结果。1.2 学习目标通过本实验你将掌握以下核心知识与技能理解 PWM 信号的基本原理掌握频率、占空比的概念及其计算方法。掌握 STM32 定时器的基本配置学会使用标准外设库配置定时器的时基单元。掌握 PWM 输出模式学会使用 TIM2 的 PWM 模式生成可调频率、可调占空比的方波信号。掌握输入捕获功能学会使用 TIM3 的输入捕获模式测量外部信号的频率和占空比。掌握 OLED 显示技术学会在 OLED 屏幕上实时显示测量数据。培养系统调试能力通过实际测量验证理论计算提升嵌入式开发的综合实践能力。二、接线图三、代码块main.h#includestm32f10x.h// Device header#includedelay.h#includeOLED.h#includepwm.h#includeIC.hintmain(){OLED_Init();pwm_init();IC_init();pwm_setpsc(7200-1);//ƵÂÊ72M/(PSC1)(ARR1)pwm_setcompare(70);OLED_ShowString(1,1,Freq:);OLED_ShowString(1,12, HZ);OLED_ShowString(2,1,Duty:);OLED_ShowString(2,12, %);while(1){OLED_ShowNum(1,6,get_fre(),6);//×îµÍ´ó¸ÅÊÇ15,×î´ó1000000;OLED_ShowNum(2,6,get_duty(),6);}}pwm.c#includestm32f10x.h// Device headervoidpwm_init(void){RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;GPIO_InitStructure.GPIO_ModeGPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_PinGPIO_Pin_0;GPIO_InitStructure.GPIO_SpeedGPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA,GPIO_InitStructure);TIM_InternalClockConfig(TIM2);TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivisionTIM_CKD_DIV1;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterModeTIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period100-1;//ARRTIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler720-1;//PSCTIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter0;TIM_TimeBaseInit(TIM2,TIM_TimeBaseInitStructure);TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;TIM_OCStructInit(TIM_OCInitStructure);TIM_OCInitStructure.TIM_OCModeTIM_OCMode_PWM1;TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarityTIM_OCPolarity_High;TIM_OCInitStructure.TIM_OutputStateTIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse50;//CCRTIM_OC1Init(TIM2,TIM_OCInitStructure);TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);}voidpwm_setcompare(uint16_tnum){TIM_SetCompare1(TIM2,num);}voidpwm_setpsc(uint16_tpsc){TIM_PrescalerConfig(TIM2,psc,TIM_PSCReloadMode_Immediate);}IC.c#include “stm32f10x.h” // Device headervoid IC_init(void){RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode GPIO_Mode_IPU; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin GPIO_Pin_6; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, GPIO_InitStructure); TIM_InternalClockConfig(TIM3); TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure; TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period 65536 - 1; //ARR TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler 72 - 1; //PSC TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter 0; TIM_TimeBaseInit(TIM3, TIM_TimeBaseInitStructure); TIM_ICInitTypeDef TIM_struct; TIM_struct.TIM_ChannelTIM_Channel_1; TIM_struct.TIM_ICFilter0xF; TIM_struct.TIM_ICPolarityTIM_ICPolarity_Rising; TIM_struct.TIM_ICPrescalerTIM_ICPSC_DIV1; TIM_struct.TIM_ICSelectionTIM_ICSelection_DirectTI; TIM_PWMIConfig(TIM3,TIM_struct); //µÈЧÓÚ£ºTIM_struct.TIM_ChannelTIM_Channel_2; //TIM_struct.TIM_ICFilter0xF; //TIM_struct.TIM_ICPolarityTIM_ICPolarity_Falling; //TIM_struct.TIM_ICPrescalerTIM_ICPSC_DIV1; //TIM_struct.TIM_ICSelectionTIM_ICSelection_IndirectTI; //TIM_ICInit(TIM3,TIM_struct); TIM_SelectInputTrigger(TIM3,TIM_TS_TI1FP1); TIM_SelectSlaveMode(TIM3,TIM_SlaveMode_Reset); TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);}uint32_t get_fre(void){return 1000000/(TIM_GetCapture1(TIM3)1);}uint32_t get_duty(void){return (TIM_GetCapture2(TIM3)1)*100/(TIM_GetCapture1(TIM3)1);}四、知识点详解4.1 PWM 信号产生原理本实验使用 TIM2 的 PWM 输出模式产生被测信号。PWM 波形的核心参数有两个频率Frequency由定时器的时钟源、预分频器PSC和自动重装载值ARR共同决定计算公式为频率 72MHz / ((PSC1) × (ARR1))。占空比Duty Cycle由比较寄存器CCR与自动重装载值ARR的比值决定计算公式为占空比 CCR / (ARR1) × 100%。在pwm_init()中TIM_Period 100 - 1设置 ARR 为 99TIM_Prescaler 720 - 1设置 PSC 为 719因此默认输出频率为72MHz / (720 × 100) 1000Hz默认占空比为50 / 100 50%。pwm_setpsc()和pwm_setcompare()分别用于动态调整频率和占空比。4.2 输入捕获测量原理本实验使用 TIM3 的输入捕获功能测量外部信号的频率和占空比核心思路如下频率测量利用定时器的从模式复位功能在每次捕获到上升沿时计数器自动清零并重新计数。因此TIM_GetCapture1(TIM3)返回的即为一个完整周期的计数值频率计算公式为频率 72MHz / (PSC1) / (捕获值1)。本实验中 PSC 设置为 71故get_fre()返回1000000 / (捕获值1)。占空比测量通过TIM_PWMIConfig()配置 PWM 输入模式通道 1 捕获上升沿记录周期通道 2 自动捕获下降沿记录高电平时间。占空比计算公式为占空比 高电平时间 / 周期 × 100%即get_duty()中的(TIM_GetCapture2(TIM3)1) × 100 / (TIM_GetCapture1(TIM3)1)。4.3 定时器从模式复位TIM_SelectInputTrigger(TIM3, TIM_TS_TI1FP1)将 TI1 的上升沿作为触发源TIM_SelectSlaveMode(TIM3, TIM_SlaveMode_Reset)使计数器在触发时自动复位。这一机制保证了每次捕获到的计数值都对应一个完整的信号周期无需软件干预即可连续测量。4.4 OLED 显示OLED 屏幕通过OLED_ShowString()和OLED_ShowNum()实时刷新频率与占空比数据。主循环中不断调用get_fre()和get_duty()获取最新测量值并显示实现动态监测。五、实验不足与改进方向5.1 测量精度受限低频测量误差大当被测信号频率较低时计数器可能溢出ARR 最大为 65535导致测量结果不准确。当前代码未处理计数器溢出情况。高频测量分辨率不足PSC 固定为 71当频率较高时一个周期内的计数值较小量化误差相对增大。5.2 功能单一仅支持单通道测量无法同时测量多路信号。未实现超量程提示当信号超出可测范围时OLED 显示结果可能失真。5.3 缺少校准与滤波未对输入信号进行软件滤波易受噪声干扰导致测量值抖动。未提供校准功能测量结果可能存在系统偏差。5.4 改进方向增加计数器溢出处理扩展低频测量范围。根据信号频率动态切换预分频系数提高测量分辨率。加入软件滤波算法如多次采样取平均提升测量稳定性。扩展多通道测量支持同时监测多路 PWM 信号。