定时器输入捕获原理深入解析，理解微控制器如何精准捕捉外部事件
【定时器输入捕获原理】深入解析，理解微控制器如何精准捕捉外部事件
定时器输入捕获（Timer Input Capture）是一种微控制器（MCU）特有的功能，它允许MCU在不占用CPU大量资源的情况下，精确地记录外部信号事件发生的时间点。 简而言之，当外部输入引脚上的信号发生变化（例如上升沿或下降沿），输入捕获功能就会立即将当前定时器的计数值写入一个特殊的捕获寄存器中，从而实现对事件发生时间的精确测量。
什么是定时器输入捕获？
定时器输入捕获（Timer Input Capture）是微控制器中一种非常强大的定时器功能，它与普通定时器的周期性计数不同，专注于捕捉外部事件发生的确切时刻。当配置为输入捕获模式时，定时器不再仅仅是一个简单的计数器，而是能够与外部硬件信号交互，并在特定信号事件发生时触发一次“快照”操作。
这个“快照”操作的核心是将当前定时器的计数值保存到一个专用的捕获寄存器中。定时器本身会以设定的时钟频率持续递增计数。一旦外部输入引脚上的信号满足预设的触发条件（如从低电平变为高电平，即上升沿；或从高电平变为低电平，即下降沿；也可以是双沿），CPU无需中断，输入捕获单元会自动将此时的定时器计数值读取并存储到捕获寄存器中。这样，我们就得到了事件发生那一刻的精确时间戳。
定时器输入捕获的核心工作流程
理解定时器输入捕获的工作原理，可以将其分解为以下几个关键步骤：
- 定时器预分频与计数： 首先，需要配置微控制器的时钟源，并对其进行预分频，以确定定时器计数的时钟频率。这个频率决定了定时器的分辨率，频率越高，时间测量越精确。定时器以这个设定的频率持续递增计数，直到达到其最大值（溢出）或被清零。
- 输入引脚配置： 需要将一个特定的微控制器引脚配置为输入捕获通道。这个引脚将连接到外部需要监测的信号源。
- 触发条件设定： 在配置输入捕获通道时，需要指定触发捕获操作的条件。最常见的有：
- 上升沿触发：当输入信号从低电平变为高电平时触发。
- 下降沿触发：当输入信号从高电平变为低电平时触发。
- 双沿触发：当信号发生任何变化（上升沿或下降沿）时都触发。
- 事件发生与捕获： 当外部输入引脚上的信号满足设定的触发条件时，输入捕获硬件会立即响应。它会读取当前定时器的计数值，并将其复制到一个或多个专用的捕获寄存器中。这个过程通常是硬件自动完成的，对CPU的干扰非常小，甚至不需要CPU的干预。
- 捕获数据读取： CPU可以通过读取捕获寄存器中的值，获取事件发生时的精确时间戳。通过连续两次捕获操作（例如，连续两次上升沿），可以计算出两个事件之间的时间间隔。
- 中断（可选）： 许多微控制器还支持在捕获事件发生时产生一个中断。这使得CPU可以在捕获数据可用时被通知，从而方便地读取捕获值并进行后续处理，而无需CPU持续轮询状态。
定时器输入捕获的应用场景
定时器输入捕获功能在许多需要精确测量时间的应用中都至关重要。以下是一些典型的应用场景：
- 测量脉冲宽度（Pulse Width Measurement）： 记录一个高电平或低电平脉冲的持续时间。例如，在PWM（脉冲宽度调制）信号的解码中，可以精确测量每个脉冲的宽度。
- 测量脉冲周期（Pulse Period Measurement）： 记录连续两个相同性质的脉冲（如两个连续的上升沿）之间的时间间隔，从而计算出信号的频率。这是测量振荡器频率、传感器输出频率等的基础。
- 编码器接口： 读取旋转编码器的输出信号，精确计算旋转角度和速度。
- 超声波测距： 发射一个超声波脉冲，然后测量回波信号返回的时间，从而计算出距离。捕获单元可以精确记录发射和接收的时刻。
- 通信协议解码： 在一些低速或自定义的通信协议中，可能需要精确测量数据位的持续时间，输入捕获可以提供这种能力。
- 电机控制： 在一些先进的电机控制算法中，需要精确测量霍尔传感器等反馈信号的变化时刻，以实现精确的位置和速度控制。
捕获寄存器与定时器关系
在一个典型的微控制器中，一个定时器模块可能配备一个或多个输入捕获通道，每个通道都关联着一个或多个捕获寄存器。例如，一个定时器可能有一个通道，该通道对应一个捕获寄存器（如 `TIMx_CHy` 的捕获寄存器 `CCR`）。
当定时器设置为输入捕获模式，并且配置的输入引脚在设定的触发条件下发生变化时，硬件会将当时的定时器计数值（来自主计数寄存器 `TIMx_CNT`）复制到对应的捕获寄存器 `TIMx_CCR` 中。如果定时器有多个捕获通道，每个通道会有自己的捕获寄存器。
CPU需要通过读取 `TIMx_CCR` 寄存器来获取捕获到的时间戳。为了测量时间间隔，通常需要两次捕获：
- 第一次捕获：记录事件 A 发生的时间戳（`Capture1 = TIMx_CCR`）。
- 第二次捕获：记录事件 B 发生的时间戳（`Capture2 = TIMx_CCR`）。
事件 A 和 B 之间的时间间隔可以通过 `Delta_T = Capture2 - Capture1` 来计算。如果定时器发生了溢出，计算时需要考虑溢出的情况，加上定时器的溢出周期。
优势与局限性
优势：
- 高精度： 能够以定时器时钟的频率来测量时间，精度非常高。
- 低CPU占用率： 捕获操作由硬件自动完成，无需CPU介入，大大减轻了CPU的负担，使其能够专注于其他任务。
- 实时性： 能够及时地捕捉到外部事件的发生，对于需要快速响应的应用至关重要。
- 多通道支持： 许多微控制器提供多个独立的输入捕获通道，可以同时监测多个外部事件。
局限性：
- 定时器资源限制： 每个输入捕获通道都需要占用一个定时器资源，如果需要大量并行捕获，可能会受限于可用定时器的数量。
- 分辨率受限于时钟： 捕获的精度最终取决于定时器的时钟频率，如果需要极高的分辨率，需要配置更高的定时器时钟，这可能会影响功耗。
- 数据丢失可能性： 如果CPU读取捕获寄存器的速度跟不上捕获事件发生的频率，可能会导致新的捕获值覆盖旧的捕获值，造成数据丢失。中断可以有效缓解此问题。
- 复杂性： 相较于简单的定时器计数，输入捕获的配置和数据处理逻辑稍显复杂。
总结
定时器输入捕获功能是微控制器在处理高精度时间测量和外部事件捕捉方面不可或缺的关键技术。通过硬件自动完成事件发生时刻的记录，它极大地提高了系统的效率和实时响应能力，为从简单的频率测量到复杂的编码器解码、测距等应用提供了坚实的基础。理解并善用这一功能，是进行嵌入式系统开发的重要一环。
