STM32单片机-输入捕获、FFT测频
本内容介绍基于STM32F103VET6的一个实际工程中添加采集A相电压信号或B相电流信号频率的功能，分别通过输入捕获与FFT实现，均测试可用。持续更新，原创不易！
目录：
一、硬件连接
1、电压信号处理电路仿真
2、单片机连接
二、程序部分
1、通过STM32输入捕获
1）定时器配置 2）定时溢出和输入捕获中断处理
2、通过FFT实现
1）概述 2）数据采集 3）功能介绍
3、屏显驱动介绍
附录1：测频法计算频率
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一、硬件连接
1、电压信号处理电路仿真
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2、单片机连接
主控MCU：STM32F103ZET6(STM32的介绍)，LM293输出连接在PB0上检测电压信号的频率，如图1.1.1与图1.2.1所示。
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如图1.2.2所示，注意其中的TIM3_CH2N是PWM捕获比较输出，TIM3_CH3才是输入捕获。
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二、程序部分
这里通过STM32输入捕获或FFT转换两种方式实现频率的测量，在实际工程中都已实现。STM32输入捕获信号幅度小于2V时，单片机检测不到跳变沿，需硬件对信号适当处理(如图1.1.1)。PB0/ADC8也可用ADC读信号电压值，ADC值为0时进行记录，再次为0就相当于经过了半个周期。计算两次ADC为0的时间差，就可以计算出信号的频率，这种方法不会受限于信号幅度的限制。
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1、通过STM32输入捕获
下面的程序采集PB0口(图1.2.1)的电压信号，因频率较低，且要求继电器出口时间小于35mS，采用测周法计算频率。给出主要部分定时器配置与定时器中断程序。因上升沿示波器测试并不陡峭(图1.1.1仿真图也可看出)，故取一周波两次下降沿。 注意：后期的处理程序必须捕获到两个下降沿的前提下，才能作相应的处理。采集程序未完成，此时处理会出错。
1）定时器配置
void adc_TIM_Init(void) { TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; //定时器 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; //端口 TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; //输入捕获 //初始化GPIO口 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入模式 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0; GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure); GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0); //使能时钟 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE); //TIM3 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE); //初始化TIM3定时 TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 17; //1MHz计数脉冲 1uS TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 65535; TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0x0; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //向上计数 TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); TIM_TimeBaseStructInit(&TIM_TimeBaseStructure); //初始化TIM3 Channel3输入捕获IC(Input Capture) TIM_ICInitStructure.TIM_Channel=TIM_Channel_3; TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity=TIM_ICPolarity_Falling; //下降沿捕获 TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection=TIM_ICSelection_DirectTI; //管脚与寄存器一一对应 TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1; //有下降沿就捕获，不分频 TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter=0x00; //不打开输入捕获滤波器 TIM_ICInit(TIM3,&TIM_ICInitStructure); TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE); //允许定时中断 TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_CC3,ENABLE); //允许CC3捕获中断 TIM_Cmd(TIM3,ENABLE); ………… }
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2）定时溢出和输入捕获中断处理
void TIM3_IRQHandler(void) //TIM3 { static u8 CapStatus=0; //捕获状态，CapStatus=0未捕获到第1个下降沿，CapStatus=1捕获到第1个下降沿 static u8 TIM3_CH3_Capture=0; //总的计数次数 u32 FrequencyTemp=0; if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)) //TIM3定时溢出更新中断 { TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update); //清除中断标志位 if(CapStatus) TIM3_CH3_Capture++; } if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_CC3)) //RB0输入捕获中断 { TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_CC3); //清除中断标志位 if(!CapStatus) { CapStatus=1; TIM_SetCounter(TIM3,0); //计数器清零 } else if(CapStatus) //已经捕获到第1个下降沿 { CapStatus=0; FrequencyTemp=TIM_GetCapture3(TIM3)+TIM3_CH3_Capture*65536;//计算两个下降沿总计数 TIM3_CH3_Capture=0; //溢出次数清零 TIM_SetCounter(TIM3,0); //计数器清零 FrequencyValue=400000000/FrequencyTemp;//计算频率，比如5000，单位0.01Hz } } }
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2、通过FFT实现
1）概述
下面是采集PC1口(图1.2.1)的小通道电流信号，计算频率，其固件具ST官方DSP库实现FFT，测试固件移步：FFT(具ST官方DSP库实现)。
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2）数据采集 使用STM32F103自带的12位ADC进行数据采集，定时器触发ADC采集，DMA搬运，定时器时间自行设置，采样频率已知。此部分相关内容移步：ADC转换汇总(采样原理、取平均、精度等)。
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3）功能介绍 通过FFT可以准确测量电压值、电流值、有功功率、无功功率、频率、谐波分量(比如显示2～32次谐波)、相角(电压与电流夹角)。 互感器二次值精确到小数点后2位无压力，电流范围大，硬件增加大小通道、程序分别采集；涌流二次谐波含量最多，故可实现二次谐波制动，相关介绍移步：电力-涌流抑制与谐波。
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已实现FFT的控制板：
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GSM短信功能介绍移步：SIM7600CE模块(GSM/GPRS)调试。
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GPRS数据功能介绍移步：STM32-GPRS模块连接系统主站，可以采用映翰通工业数据终端做透明传输。
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以太网功能板，本方案基于W5500，详细的介绍移步：网络知识汇总(基于W5500以太网)。
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3、屏显驱动介绍
移步：12864液晶显示原理(C代码)。
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附录1：测频法计算频率
网上找的资料，不保证正确性，没有实际测试过，仅供参考。 通过在一定时间内检测跳边沿的个数可计算出频率 频率=上升沿或下降沿个数/统计时间。
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方法1：利用外部中断统计跳边沿个数，配置一个定时器每隔一定时间对频率进行计算。部分代码如下。
void exti_init() //外部中断初始化函数 { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure); GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOC, GPIO_PinSource2); //选择GPIO引脚用作外部中段线路 //此处一定要记住给端口管脚加上中断外部线路 EXTI_InitStructure.EXTI_Line=EXTI_Line2; EXTI_InitStructure.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt; EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Falling; //下降沿进中断 EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE; EXTI_Init(&EXTI_InitStructure); NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1); NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI2_IRQn; //打开EXTI2的全局中断 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; //设置优先级 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //使能 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); }
外部中断函数：
void EXTI2_IRQHandler() { if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line2)==SET) { EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);//清中断 if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_2)==Bit_RESET) //确定沿 { cnt++; } } }
定时器中断函数：
void TIM3_IRQHandler() { frequent=cnt; //定时器设置时间为1s时 cnt=0; //清零计数cnt TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update); //清标志位 }
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方法2：采用定时器外部计数的方法，另外一个定时器负责每隔一段时间计算频率，部分代码如下。
void time_init() { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM2_TimeBaseInitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM3_TimeBaseInitStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure); TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);//清除TIM2中断标志位 TIM2_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 0xFFFF;//设置自动重装载值 TIM2_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 0;//设置分频 TIM2_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; TIM2_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//向上计数 TIM_TimeBaseInit(TIM2,&TIM2_TimeBaseInitStructure); TIM_ETRClockMode1Config(TIM2, TIM_ExtTRGPSC_OFF,TIM_ExtTRGPolarity_NonInverted, 0x00); //设置为采用外部时钟计数,可设定滤波参数消除信号干扰 TIM_Cmd(TIM2,ENABLE); TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update); TIM3_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 999; TIM3_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 3599; TIM3_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; TIM3_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM3_TimeBaseInitStructure); TIM_Cmd(TIM3,ENABLE); TIM_ITConfig(TIM3, TIM_IT_Update, ENABLE ); NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1); NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM3_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); }
定时器中断函数：
void TIM3_IRQHandler() { static u8 i; static u32 frequent_sum; TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update); //清中断 if(i<19) { cnt += TIM_GetCounter(TIM2); //，获取计数器的值，累加减少误差 TIM_SetCounter(TIM2,0); //计数器清零 i++; } else { cnt += TIM_GetCounter(TIM2); TIM_SetCounter(TIM2,0); cnt += cnt*0.000025; //根据实际情况修改系数线性补偿 frequent = cnt; i = 0; cnt = 0; } }
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