保姆级教程：用STM32F103的HAL库和CubeMX，5分钟搞定PWM频率与占空比测量（附串口打印代码）

STM32F103实战指南：5分钟掌握PWM测量核心技巧

引言

在嵌入式开发领域，PWM信号的测量是一项基础但至关重要的技能。无论是电机控制、LED调光还是电源管理，准确获取PWM信号的频率和占空比都是系统调试的关键环节。对于使用STM32F103系列芯片的开发者来说，HAL库和CubeMX工具的普及大大降低了开发门槛，但同时也带来了新的学习曲线。

本文将带你从零开始，通过一个完整的实验流程，快速掌握使用STM32F103ZET6测量外部PWM信号的核心技巧。不同于市面上泛泛而谈的教程，我们特别关注那些容易忽略的细节和实际开发中常见的"坑"，确保你能够在最短时间内获得可靠的测量结果。

1. 硬件准备与CubeMX基础配置

1.1 开发板与硬件连接

首先确保你手头有一块STM32F103ZET6开发板（其他F103系列开发板也可参考）。我们需要使用两个GPIO引脚：

• TIM4_CH1 (PD12)：用于输出参考PWM信号
• TIM3_CH1 (PA6)：用于输入待测PWM信号

用杜邦线将PD12与PA6短接，这样我们就能用同一个开发板完成自测实验，无需额外信号源。

1.2 CubeMX工程创建

1. 打开STM32CubeMX，新建工程选择STM32F103ZETx
2. 配置时钟树，确保系统时钟为72MHz（这是F103的典型工作频率）
3. 在Pinout视图中启用TIM3和TIM4

关键配置表：

2. TIM4 PWM输出配置

2.1 参数设置

进入TIM4配置界面，我们需要生成一个50Hz、占空比50%的方波作为测试信号：

1. Prescaler (PSC): 71
2. Counter Mode: Up
3. Counter Period (ARR): 19999
4. Pulse: 10000 (50%占空比)
5. CH Polarity: High

计算验证：

• 定时器时钟 = 72MHz / (PSC+1) = 1MHz
• 周期 = (ARR+1)/定时器时钟 = 20000/1MHz = 0.02s = 50Hz

2.2 代码生成与验证

生成代码后，在main.c中添加启动代码：

HAL_TIM_PWM_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_1);

用示波器或逻辑分析仪检查PD12引脚，应能看到50Hz方波。

3. TIM3 PWM输入捕获配置

3.1 Slave Mode关键设置

这是整个实验最易出错的部分，需要特别注意：

1. Slave Mode: Reset Mode
2. Trigger Source: TI1FP1
3. IC1: Rising edge
4. IC2: Falling edge
5. Prescaler: 71 (与TIM4保持一致)
6. Counter Period: 65535 (最大值)

注意：PWM输入模式必须使用通道1和通道2，通道3和4无法实现此功能

3.2 中断配置

在NVIC设置中启用TIM3全局中断，这是捕获数据的关键。CubeMX会自动生成中断优先级配置，通常保持默认即可。

4. 代码实现与数据处理

4.1 变量定义与初始化

在main.c文件顶部添加以下变量：

volatile uint32_t CCR1_Value = 0, CCR2_Value = 0; volatile uint8_t capture_flag = 0; float frequency = 0, duty_cycle = 0;

4.2 串口重定向

为了方便查看结果，我们需要重定向printf到串口：

#include <stdio.h> int __io_putchar(int ch) { HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY); return ch; }

确保在CubeMX中已配置USART1并生成代码。

4.3 捕获回调函数

这是核心算法所在位置：

void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if (htim->Instance == TIM3) { CCR1_Value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1); if (CCR1_Value != 0) { CCR2_Value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_2); frequency = 1000000.0f / CCR1_Value; // 定时器时钟1MHz duty_cycle = (CCR2_Value * 100.0f) / CCR1_Value; capture_flag = 1; } } }

4.4 主循环处理

在main()函数的while循环中添加：

if (capture_flag) { printf("Frequency: %.2f Hz, Duty Cycle: %.2f%%\r\n", frequency, duty_cycle); capture_flag = 0; } HAL_Delay(1000);

5. 实测技巧与常见问题排查

5.1 测量范围优化

根据公式：最低可测频率 = 定时器时钟 / ( (PSC+1) × (ARR+1) )

在我们的配置中：

• 最低频率 = 1MHz / 65536 ≈ 15.26Hz

如果需要测量更低频率，可以：

1. 增大PSC值
2. 降低定时器时钟（不推荐）

5.2 典型问题排查表

5.3 性能优化建议

1. 中断优化：在回调函数中尽量减少耗时操作
2. 软件滤波：对连续多次测量结果取平均
3. 动态调整：根据输入信号范围自动调整PSC

6. 进阶应用：多通道测量

如果需要同时测量多路PWM信号，可以考虑以下方案：

1. 方案一：使用多个定时器，每个定时器测量一路信号
2. 方案二：使用一个定时器的多个通道，配合DMA传输
3. 方案三：使用高级定时器（TIM1/TIM8）的互补通道

以方案二为例，关键配置差异：

// 启用DMA HAL_TIM_IC_Start_DMA(&htim3, TIM_CHANNEL_1, (uint32_t *)&CCR_Buffer, BUFFER_SIZE);

7. 硬件设计注意事项

在实际产品设计中，PWM测量电路还需要考虑：

1. 电平转换：如果输入信号不是3.3V，需要添加电平转换电路
2. 滤波电路：在PA6引脚添加RC滤波（如1kΩ+100nF）
3. ESD保护：在信号输入端添加TVS二极管
4. 阻抗匹配：长距离传输时考虑终端电阻

8. 替代方案比较

除了PWM输入模式，STM32还提供其他测量方法：

在资源允许的情况下，PWM输入模式始终是最佳选择。