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基于STM32定时器实现频率量高精度测量

范文

曹孟刚

摘要：为了降低频率量采集系统设计复杂性，提高频率量采集精度，利用STM32F4微控制器定时器自带的级联功能，设计了一种高效的采集方式，通过与传统采集方式对比及实验验证，本采集方式能够达到较高精度。

关键词：STM32;频率量采集;高精度;定时器。

一、引言

备份仪表中大气压力参数采集通常采用振动筒或硅谐振式压力传感器，受限于工作原理，两型传感器通常输出与待测压力成函数关系的频率量，通过测量该频率即可计算出待测压力。频率测量精度高低直接影响计算大气参数的精度。通常实现高精度频率量测量，需要专用芯片或 FPGA 实现，不但增加设计成本，增加了系统复杂性还降低了系统可靠性。

本文采用 STM32F4 系列微处理器片内通用定时器实现频率量高精度采集，不需要增加专用硬件。该方式不但保证了较高的测量精度，降低了软件设计复杂性。对 500Hz～30MHz 范围内的频率均能达到±0.001Hz 精度要求。

二、频率量采集方法

STM32F4 系列微控制器测量频率通常由测频法和测周法两种方式。

1）测频法

测频法主要是将被测频率信号作为定时器计数源，测量单位时间 T 内计数器计数值 N。被测信号频率 f = N/T。

该方法由于计数器只能进行整数计数，计数值 N 存在±1 误差，测量误差为±1/T。

2）测周法

测周法原理利用标准频率信号作为计数器计数源，被测信号作为触发，测量被测信号周期 T1。

假定标准频率信号频率为 fs，计数器计数值为 N，则被测信号频率为： f=fs/N。同样计数器存在±1 误差，被测信号频率量测量误差为 fs/（N2+N），约为 1/N。被测信号频率确定，标准信号频率越高，测得的误差越小。此方法由于中断产生频率等于被测信号频率，被测信号频率越高，消耗 MCU 资源越多。当被测信号频率高于 5KHz 时不建议使用。

STM32F4 系列 MCU 具有 2 个高级定时器、 11 个通用定时器和 2 个基本定时器，特定定时器可进行级联同步，内部连接关系表如表 1 所示。

本文通过对测频法进行改良，消除被测信号采集时的±1 误差，从而提高测量精度。测量原理示意图如图 1 所示。

被测信号接主定时器比较/捕获通道，经过滤波及边沿检测后的信号 TI1FP1 作为计数器的计数源，同时将该通道配置为 PWM 模式 2 不输出模式作为门控信号控制从定时器的工作状态。设置主定时器 TIMx_CCRx 为 n，从定时器工作在门控模式，计数源为 APB 总线时钟。

当主定时器开启后开始对外部被测信号上升沿开始计数，时，门控信号输出为低，此时从定时器不计数。 n≤ TIMx_CNT ≤TIMx_ARR 时，门控信号输出为高，从定时器对标准信号进行计数。若主定时器设置为单脉冲工作方式， TIMx_CNT=TIMx_ARR 时主定时器停止工作并产生中断，即可计算被测信号频率。

此方法由于门控信号开始与结束均与被测信号上升沿對齐，所以对被测信号的计数值不会产生±1 误差，从定时器对标准信号测量仍存在±1 误差。假定主定时器 TIMx_CCRx 为 n1，TIMx_ARR 为 n2，从定时器计数源频率为 f1，计数值为 N。则被测信号频率为

由于 N 存在±1 误差，则被测信号频率 F 的误差为 1/N，通常 STM32F4 系列 MCU 定时工作频率为 90MHz，门控信号开启时间设置为10ms时，计数值N约为900K，则F的误差±2*10-6 以内。

软件设计

目前基于 STM32 开发主要有直接操作寄存器，使用标准外设库和使用 HAL 库三种方式。其中使用 HAL 库是意法半导体推荐的开发方式，能够使工程师快速上手。

本设计采用 HAL 库加直接操作寄存器的方式，能够实现对定时器的灵活控制。选用 TIM3 作为主定时器，TIM5 作为从定时器，被测信号接 TIM3 的 chan1。本设计主要工作为定时初始化配置。

四、结束语

用信号发生器产生被测信号，对本设计采集精度进行试验验证。验证结果表明被测信号采集精度满足预期结果。

本设计中预期精度均以标准信号为理想信号为前提，实际 STM32 工作时钟为外部时钟信号倍频锁相后产生，因此外部时钟精度对采集精度影响较大。对于采集精度要求较高时，选用受温度影响较小的温补晶振作为 MCU 外部时钟，频率准确度可达±1ppm，由于标准信号误差带来的采集精度误差可以忽略。

本问介绍的频率量高精度采集方案利用 MCU 自带的定时器实现，可灵活配置采集周期，在采集精度与 MCU 工作负荷间取得平衡。通过实验表明采集精度能够满足设计要求。

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