基于 STM32 定时器输入捕获功能的数字频率计方案

一、测量原理与方案选择

两种经典方法

推荐方案：测周法 + 测频法自动切换

二、硬件连接

输入保护：必须加1kΩ 串联电阻 + 3.3V 钳位二极管

三、STM32 定时器配置

1、TIM2（测周法 - 捕获模式）

• 通道：CH1
• 模式：Input Capture
• 触发：上升沿
• 分频：72-1 → 计数频率 1MHz
• 中断：捕获中断 + 溢出中断

2、TIM3（测频法 - 外部计数模式）

• 通道：ETR
• 模式：External Clock Mode 1
• 触发：上升沿
• 分频：1-1
• 中断：更新中断

四、核心数据结构

typedefstruct{uint32_tfrequency;// 最终频率uint8_tmode;// 0=测周 1=测频floatduty;// 占空比}FreqMeter_t;FreqMeter_t meter={0};

五、测周法实现（TIM2 捕获）

1、初始化代码

#include"stm32f1xx_hal.h"TIM_HandleTypeDef htim2;volatileuint32_tcapture1=0,capture2=0;volatileuint8_tcapture_flag=0;volatileuint16_toverflow_count=0;voidTIM2_Init(void){TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig={0};TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig={0};TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC={0};htim2.Instance=TIM2;htim2.Init.Prescaler=72-1;// 72MHz/72 = 1MHzhtim2.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;htim2.Init.Period=0xFFFFFFFF;htim2.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;HAL_TIM_IC_Init(&htim2);sClockSourceConfig.ClockSource=TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2,&sClockSourceConfig);sConfigIC.ICPolarity=TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;sConfigIC.ICSelection=TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;sConfigIC.ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1;sConfigIC.ICFilter=0;HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2,&sConfigIC,TIM_CHANNEL_1);sMasterConfig.MasterOutputTrigger=TIM_TRGO_RESET;sMasterConfig.MasterSlaveMode=TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2,&sMasterConfig);HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2,TIM_CHANNEL_1);HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);}

2、中断处理（核心）

voidHAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef*htim){if(htim->Channel==HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1){if(capture_flag==0){capture1=HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim,TIM_CHANNEL_1);capture_flag=1;}else{capture2=HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim,TIM_CHANNEL_1);// 计算周期（考虑溢出）uint32_tperiod_ticks=0;if(capture2>=capture1){period_ticks=capture2-capture1;}else{period_ticks=0xFFFFFFFF-capture1+capture2;}// 计算频率meter.frequency=1000000/period_ticks;// 1MHz 时钟capture_flag=0;overflow_count=0;}}}voidHAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef*htim){if(htim->Instance==TIM2){overflow_count++;}}

六、测频法实现（TIM3 外部计数）

1、初始化代码

TIM_HandleTypeDef htim3;volatileuint32_tcount_value=0;voidTIM3_Init(void){TIM_SlaveConfigTypeDef sSlaveConfig={0};TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig={0};htim3.Instance=TIM3;htim3.Init.Prescaler=0;htim3.Init.CounterMode=TIM_COUNTERMODE_UP;htim3.Init.Period=0xFFFF;htim3.Init.ClockDivision=TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;HAL_TIM_Base_Init(&htim3);sSlaveConfig.SlaveMode=TIM_SLAVEMODE_EXTERNAL1;sSlaveConfig.InputTrigger=TIM_TS_ETRF;sSlaveConfig.TriggerPolarity=TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING;sSlaveConfig.TriggerFilter=0;HAL_TIM_SlaveConfigSynchro(&htim3,&sSlaveConfig);sMasterConfig.MasterOutputTrigger=TIM_TRGO_RESET;sMasterConfig.MasterSlaveMode=TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3,&sMasterConfig);}

2、定时测量（1秒闸门）

voidMeasure_Frequency(void){staticuint32_tlast_count=0;uint32_tcurrent_count=__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3);// 1秒定时中断触发meter.frequency=current_count-last_count;last_count=current_count;}

七、自动量程切换逻辑

voidAuto_Range_Switch(void){staticuint32_tlast_freq=0;staticuint8_tstable_count=0;if(meter.frequency>100000){// >100KHzmeter.mode=1;// 测频法}else{meter.mode=0;// 测周法}// 防抖动if(abs(meter.frequency-last_freq)<10){stable_count++;if(stable_count>5){stable_count=0;last_freq=meter.frequency;}}else{stable_count=0;}}

八、占空比测量（双沿捕获）

floatMeasure_Duty_Cycle(void){uint32_thigh_time,low_time,period;// 配置上升沿和下降沿捕获// ... 初始化代码// 计算占空比period=high_time+low_time;if(period>0){meter.duty=(float)high_time/period*100.0f;}returnmeter.duty;}

九、主函数示例

intmain(void){HAL_Init();SystemClock_Config();MX_GPIO_Init();MX_TIM2_Init();MX_TIM3_Init();HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2,TIM_CHANNEL_1);HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);while(1){Auto_Range_Switch();printf("频率: %lu Hz, 模式: %s, 占空比: %.1f%%\r\n",meter.frequency,meter.mode?"测频":"测周",meter.duty);HAL_Delay(500);}}

参考代码 数字频率计，基于stm32的中断捕获模式对输入信号进行计数www.youwenfan.com/contentcsu/69881.html

十、性能优化

1、多周期同步平均

#defineAVG_COUNT10uint32_tfreq_buffer[AVG_COUNT];

2、输入信号调理

• 施密特触发器
• 自动增益控制
• 带通滤波器

3、自动校零

voidAuto_Zero_Calibration(void){uint32_tavg=0;for(inti=0;i<100;i++){avg+=Read_ADC();}zero_offset=avg/100;}

十一、测量范围与精度

最高精度：0.1Hz @ 1Hz
最大误差：< 0.1%