STM32 定时器测量：输入捕获、编码器接口与高级定时器实验全记录

平台：STM32F103ZET6 @ 72MHz · 工程名 pwm_measure（一个工程跑完三个实验）· 串口 115200（UTF-8）
前置知识：模块 3A（时基、输出比较、PWM 呼吸灯）

引言：从“产生信号”到“测量信号”

模块 3A 让定时器输出信号（PWM 点灯），模块 3B 把方向反过来——用定时器测量外部信号：测一个 PWM 波形的周期和占空比、数旋钮转了多少格、给电机驱动补上安全机制。三个实验共用同一个工程 pwm_measure，一个实验叠一个实验，最后三套功能在同一块板上和平共处——这也是真实项目的形态。

一、3B.1 输入捕获：造一台 PWM 测量仪

1.1 实验目标

测一个未知信号的周期和占空比，串口每秒打印结果——这就是一台“PWM 测量仪”。它是很多应用的地基：测转速（编码器脉冲）、超声波回波计时、红外遥控解码、频率计。

1.2 原理：给定时器装“硬件快门”

朴素思路是“中断+软件时间戳”，但 CPU 响应中断有微秒级抖动（可能被别的事耽误），测出来的时刻不准。

输入捕获（IC）= 硬件快门：捕获通道盯着引脚，设定的边沿（上升/下降）一到达，硬件瞬间把当前 CNT 的值拍进 CCR——零延迟、零抖动，然后才置标志、发中断。你在回调里取走的不是“现在几点”，而是“边沿到达那一刻的照片”。

测量公式：

周期 = 两次上升沿快照之差
高电平时长 = 上升沿快照 − 下降沿快照
占空比 = 高电平时长 ÷ 周期

F1 的硬件限制：捕获极性只有上升/下降两档，没有双沿捕获（双沿是 F2/F4 之后新系列才加的，CubeMX 里找不到 Both Edges 不是操作问题，是芯片能力）。想要双沿效果 → 双通道分工：CH2 守上升沿测周期、CH3 守下降沿测脉宽——这本来就是仪器级的标准做法。

16 位回绕：CNT 数到 65535 会归零。只要信号周期小于定时器溢出周期，用 (uint16_t)(now - last) 的 16 位减法就能自动处理回绕（数学上 mod 65536）。

1.3 实验设计：信号源 + 测量仪，自己测自己

TIM3_CH3 ──PB0──┬──→ PA1 (TIM2_CH2, 上升沿捕获) → 测周期
                │ 两根杜邦线
                └──→ PA2 (TIM2_CH3, 下降沿捕获) → 测高电平时长

三个设计决策：

信号源用已知参数：TIM3 输出 1Hz、50% PWM（PSC=7199、ARR=9999、Pulse=5000）。测量仪读数必须精确等于已知答案——这叫自校准：用已知校准未知，是仪器思维的第一课
测量仪必须用另一个定时器：TIM3 的 CNT 正被自己的 PWM 用着，相位完全同步——上升沿永远发生在 CNT 同一位置，周期会测成 0（混叠）。信号源和测量仪必须时钟独立
分辨率与量程的取舍：测量仪 TIM2 用 PSC=7199（每格 0.1ms）+ ARR=65535（量程 6.55 秒）——覆盖 1 秒信号绰绰有余，回绕减法也成立

1.4 CubeMX 配置

项	配置
TIM3（信号源）	Clock Source=Internal；Channel3=PWM Generation CH3；PSC=7199、ARR=9999、Pulse=5000
TIM2（测量仪）	Channel2=IC Direct（Rising Edge）；Channel3=IC Direct（Falling Edge）；PSC=7199、Counter Period=65535
USART1	Asynchronous，115200（打印结果用）
NVIC	TIM2 global interrupt 打勾（TIM3 不勾——PWM 零中断）
硬件	杜邦线两根：PB0→PA1、PB0→PA2

1.5 核心代码

启动（USER CODE 2）：

HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_3); // 信号源：PB0 输出 1Hz 50% PWM
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_2); // CH2 上升沿：测周期
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_3); // CH3 下降沿：测高电平时长

捕获回调（USER CODE 4）：

void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim){
    if(htim->Instance != TIM2) return;
    if(htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_2){ // 上升沿 → 周期
        uint16_t now = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_2);
        period = (uint16_t)(now - cap_rise); // 两次上升沿之差(16位减法自动处理回绕)
        cap_rise = now;
        ready = 1; // 一整周期凑齐
    }else if(htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_3){ // 下降沿 → 高电平时长
        uint16_t now = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_3);
        width = (uint16_t)(now - cap_rise); // 上升→下降之差
    }
}

主循环每秒打印 周期/高/占空比 三件套（printf 重定向用模块 2 的 __io_putchar 老配方，记得 Includes 区加 #include <stdio.h>）。

1.6 现象与验证

串口每秒一行：周期=1000 ms 高=500 ms 占空比=50%——和信号源已知值精确吻合，自校准通过
周期在 999/1000 之间偶尔跳变——末位量化误差：信号边沿恰好落在 0.1ms 刻度线附近，捕获有时差一拍。0.1ms 分辨率测 1 秒信号理论精度 ±0.01%，真实仪器的末位跳变就是这么来的
实时跟踪验收：用调试器现场把信号源的 CCR3 从 5000 改成 2500（一条 mww 命令，不重新烧录），测量仪下一秒立刻显示 高=250 ms 占空比=25%——仪器追上了活的信号变化

1.7 踩坑实录（这节踩得最密集）

F1 无双沿捕获：CubeMX 里 Polarity 只有 Rising/Falling——换双通道分工
主循环代码放错区被吃：代码写在 USER CODE END WHILE 和 BEGIN 3 之间的缝隙（模板自留地），CubeMX 重新生成时被还原——加 USART1 重新生成后 printf 循环凭空消失。正确位置：BEGIN 3 之后
TIM2 PSC 填成 72：tick 变成约 1µs，1 秒信号跨 15 次 16 位回绕，减法只救一次——周期打印成 326ms 的乱数（实测变量 period=3261，铁证）
CH3 极性忘改 Falling：两个通道都守上升沿，CH2/CH3 在同一个上升沿同时触发，CH2 先算周期更新 cap_rise，CH3 随后算 width=now−cap_rise=0——占空比永远 0%（实测 width=0）
USART1 没配：huart1 未声明，编译直接报错
串口中文乱码：固件 printf 是 UTF-8、串口助手默认 GBK——数字和 % 是 ASCII 两边一样所以能认出，中文全花。解法：助手切 UTF-8

排障方法论：变量不对时用调试器直接读运行中的变量（nm 查地址 + mdw 读值）——period=3261、width=0 两个值一出来，两个配置 bug 当场定位，比瞎猜快一百倍。

二、3B.2 编码器接口：让硬件自己数旋钮

2.1 实验目标

读取旋转编码器的位置（累计计数）、方向（顺/逆时针）、速度（单位时间计数变化），串口实时打印。

2.2 原理：AB 正交 + 硬件解码器

旋转编码器（EC11）转起来输出两路方波，玄机在相位差 90°：

顺时针（A 超前 B 90°）：
A: ─┐ ┌─┐ ┌─
    └─┘ └─┘ └
B: ──┐ ┌─┐
     └─┘ └
逆时针（B 超前 A 90°）

方向藏在“谁超前谁”里
位置藏在累计计数里（每圈 N 个脉冲，EC11 常见 20 个）
速度 = 单位时间的计数变化

软件解码的痛：A、B 各接一个 EXTI 中断数边沿判相位——每圈几百次中断、机械触点抖动产生假边沿、判相位容易错。

硬件编码器接口：定时器内置的正交解码器——A 接 CH1、B 接 CH2，硬件实时盯着两相位关系，每个有效边沿自动让 CNT +1 或 −1（顺时针加、逆时针减，方向判断零成本）。你随时读 CNT 就知道位置，零中断、零 CPU。这是“把数数交给硬件”的第三次登场（时基→PWM→编码器）。

三个关键机制：

四倍频（x4）：Encoder Mode 选 "TI1 and TI2" = A、B 的每个边沿都计数 → 分辨率 ×4（20 脉冲/圈 = 80 计数/圈），转一格恰好 ±4——“四倍频”名字即来于此
PSC 失效：编码器模式下 CNT 的心跳来自外部边沿而不是内部时钟——预分频器形同虚设（不用设）
16 位双向回绕：顺转加到 65535 回绕到 0，逆转减到 0 回绕到 65535。读位置差用 (int16_t)(now - last)——有符号 16 位减法自动处理双向回绕，还白送一个符号（正=顺、负=逆）

2.3 实验设计

TIM4 编码器模式 + 主循环每 200ms 采样一次 CNT 算速度。引脚重映射实战：TIM4 编码器默认脚是 PB6/PB7，但配置时把引脚点到了 PD12/PD13（TIM4 重映射后的位置）——同一对通道的两个住址，CubeMX 自动生成 __HAL_AFIO_REMAP_TIM4_ENABLE()，和 PB6/PB7 完全等效。这无意中把 F1 的“引脚搬家”（AFIO 重映射）功能用了一遍。

编码器模块五脚（GND/VCC/A/B/C）：VCC→3.3V（别接 5V，模块上拉电平要和 STM32 一致）、GND→GND、A→PD12、B→PD13、C 是按键脚（按下导通，本实验不接，留给 3B.3 当刹车按钮）。

2.4 CubeMX 配置

项	配置
TIM4	Combined Channels → Encoder Mode
Encoder Mode	Encoder Mode TI1 and TI2（x4 四倍频）
Input Filter（两通道）	15（机械触点抖动大，硬件滤波）
Counter Period	65535（满量程，16 位回绕成立）
引脚 GPIO	PD12/PD13 设 Pull-up（编码器是开关输出，必须上拉；带板模块有板载上拉则双上拉无害）

2.5 核心代码

启动只要一行（无需中断）：

HAL_TIM_Encoder_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_ALL); // 启动编码器接口: 硬件开始自动计数

主循环每 200ms 采样：

int16_t now = (int16_t)__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim4); // 读当前位置
int16_t speed = (int16_t)(now - enc_last); // 差值: 正=顺 负=逆 0=静止
enc_last = now;
printf("位置=%d 速度=%d %s\r\n", now, speed,
        speed>0 ? "顺时针" : (speed<0 ? "逆时针" : "静止"));

2.6 现象与验证

串口每 200ms 一行，转动旋钮时：

位置=-25 速度=1 顺时针
位置=-16 速度=8 顺时针
位置=-8 速度=0 静止
位置=-26 速度=-18 逆时针

调试器协同采样（云端定时读 CNT，用户同时转旋钮）：+7 → −13 → +23 → −12 → +21 → −22 → +8 → +17 → +7——双向计数实锤，数值在正负之间摆动对应来回旋转，停下归零。A/B 接反不会坏任何东西，只是方向反过来——对调两根线即可，编码器接线的日常。

2.7 踩坑实录

编码器没接就查代码：CNT 六次采样全 0，排查半天——其实是编码器根本还没接线。先确认物理连接再查软件
引脚住址困惑：资料说 TIM4 是 PD12/13，教程说 PB6/7——两个都对，一个是重映射后的住址。跟着固件实际配置接（看 CubeMX 引脚分配或生成代码里的 REMAP 宏）
打印刷屏：主循环 HAL_Delay(10) 没按设计改成 200——每秒 100 行串口刷成瀑布。采样周期决定打印节奏，200ms 才能看清

三、3B.3 高级定时器 TIM1：互补、死区与刹车

3.1 实验目标

输出一对互补 PWM（驱动半桥上下管），插入死区时间（防直通），接上刹车输入（硬件急停）——电机控制的看家本领三件套。

3.2 原理：为半桥而生的安全链

半桥是电机驱动的最小单元：

     ──┬── 电源
 [上管] ← TIM1_CH1 (PE9)
       ├──── 中点 → 接电机
 [下管] ← TIM1_CH1N(PE8)
     ──┴── GND

上下管绝不能同时导通——同时导通=电源对地短路（直通），MOS 管瞬间烧毁。互补 PWM 保证逻辑上不同时通，但 MOS 管关断比开通慢——切换瞬间上管没关干净、下管已经开通，微秒级直通照样炸管。

三个硬件安全机制：

互补输出：每个通道两根引脚（CHx/CHxN），输出极性相反，正好驱动上下两管
死区时间（DTG）：每次切换插入一段“双管全关”的空档，硬件按 tDTS（72MHz，13.9ns 步进）自动插入，不受 PSC 影响，软件零参与
刹车（BKIN）：一个引脚触发时硬件直接清 MOE 总闸（主输出使能），所有输出瞬间进安全态，不等软件反应——过流保护、急停按钮的最后一道保险丝

3.3 实验设计：第三次“自己测自己”

TIM1_CH1(PE9) ──┬──→ PA1 (捕获仪CH2, 上升沿→周期)
                └──→ PA2 (捕获仪CH3, 下降沿→脉宽)
TIM1_CH1N(PE8) ──→ 空着（调试器采样电平验证互补性）
编码器 C 键 ──→ PE15 (BKIN 刹车)

实验参数 vs 工程参数的取舍（重要思维）：真实电机用 20kHz PWM + 几百 ns 死区，但捕获仪最快 1µs 分辨率测不到——所以故意放慢 PWM（100Hz）、加大死区（14µs）让仪器能看见。实验参数为可测性服务，工程参数为效率服务，别混为一谈。

参数计算：

TIM1：PSC=71（1µs 粒度）、ARR=9999（10ms 周期=100Hz）、Pulse=5000（50%）、DTG=255（0xFF 编码 ≈ 14µs 死区）
捕获仪 TIM2：PSC 从 7199 改成 71（分辨率从 0.1ms 提到 1µs）
预期读数：周期=10000µs、高=4986µs——理想 5000 被死区啃掉 14 → 死区被直接测出来；占空比 49%（死区吃掉 1% 占空比）

引脚重映射：TIM1 默认脚在板上全被占（CH1N=PA7 是 W25Q16、CH2=PA9 是串口、CH3=PA10 是串口、CH4=PA11 是 USB、BKIN=PA6 是 W25Q16）——全重映射到 PE 口：CH1=PE9、CH1N=PE8、BKIN=PE15（动手前先确认板上排针有引出）。

3.4 CubeMX 配置

项	配置
TIM1 → Channel1	PWM Generation CH1 CH1N（互补模式）
引脚（点击分配）	PE9→TIM1_CH1、PE8→TIM1_CH1N、PE15→TIM1_BKIN（先分配 BKIN，刹车选项才出现）
TIM1 时基	PSC=71、ARR=9999、Pulse=5000
Break and Dead Time 分组	Dead Time=255、BRK Polarity=Low（按下=低=刹车）、Automatic Output State=Enable（松开自动恢复）、OSSI=Enable（刹车时引脚驱动到确定电平）
PE15 GPIO	Pull-up（关键！见踩坑）
TIM2	Prescaler 7199→71（捕获仪提分辨率）
接线	PE9→PA1、PE9→PA2（从 PB0 挪线）、编码器 C 键→PE15

刹车选项含义速查：BRK State 刹车电路电源开关；BRK Polarity 什么电平触发（按键按下接地→Low）；Automatic Output State 刹车消失后谁合闸（Enable=硬件自动，真实故障场景用 Disable 等软件确认）；OSSI/OSSR 输出关闭时引脚浮空还是驱动到确定电平（电机场景必开，防栅极浮空误触发）；Lock 给安全配置上锁防篡改。

3.5 核心代码

互补输出要开两个开关（USER CODE 2）：

HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); // CH1 主输出(顺带开MOE总闸)
HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); // CH1N 互补输出(注意是Ex扩展函数)

printf 换微秒版（tick 已是 1µs，不用再除）：

printf("周期=%u us 高=%u us 占空比=%u%%\r\n",
        period, width, width*100/period);

3.6 现象与验证

串口：周期=10000 us 高=4986 us 占空比=49%——5000−4986=14µs 就是死区实测，与 DTG=255 的理论值精确命中
互补性铁证（调试器十次采样 PE8/PE9 电平）：PE9=1,PE8=0 → PE8=1,PE9=0 → … 10/10 严格单高——两脚永不同时为高，互补+死区成立
刹车实测：按住编码器旋钮（C 键把 PE15 拉低）→ PWM 立即停止、打印冻结；松开 → AOE 自动合闸、打印恢复滚动

3.7 踩坑实录：BKIN 悬空引发的“全链路假故障”（本模块最精彩的一案）

现象：烧录后测量值全 0、串口没有测量数据、输出引脚电平乱跳。

排查链（每一步都有寄存器证据）：

读测量变量：period=0、width=0 → 捕获仪没收到边沿 → PE9 上没有波形
读 TIM1_BDTR=0x54FF：死区/刹车/自动恢复配置全对，但 MOE=0——总闸被拉掉了
读 PE15 电平：低 → 刹车处于触发状态（配的是低有效）
因果链闭合：PE15 低 → 刹车 → 硬件清 MOE → 输出禁 → 无波形 → 测量 0。PE15 电平乱跳还导致刹车反复触发/AOE 反复合闸，MOE 振荡，输出时有时无
查生成代码：PE15 是 GPIO_MODE_INPUT + GPIO_NOPULL——悬空！
修复（配上拉）后仍读低 → 读 CRH（模式=上拉输入 ✓）+ ODR（拉的方向=上 ✓）+ IDR（实际电平=低 ✗）三连——内部上拉生效但读低 = 外部有东西硬拉地
判决性实验：拔掉 PE15 上的线 → 立刻变高、MOE=1、测量值 10000/4986 全部出现——实锤是那根线接着地（模块端插错孔）

教训：刹车电路对电平极度敏感，BKIN 必须接确定电平（上拉），绝不悬空——这本身就是刹车威力的最好反面教材。排查手法沉淀：CRH/ODR/IDR 三连读（配置生效了吗+拉对方向了吗+实际电平是多少），内部上拉打不过外部直连地，拔线是最终的二分判决。

另一个坑：frp 调试偶发“全零假象”——openocd 连接后芯片停在复位态没放行，所有寄存器读复位值 0、RAM 是陈旧值，看起来像全面故障。解法：monitor reset halt + monitor resume 序列。读数全零时先怀疑目标没在跑，再怀疑代码。

结语：三个实验串成的一条线

三个实验其实是同一条思路的三次递进：

3B.1：硬件快门记时刻 → 测周期测脉宽（测量时间）
3B.2：硬件解码器数边沿 → 测位置测方向（测量旋转）
3B.3：硬件死区刹车保安全 → 互补输出驱动半桥（输出+保护）

加上 3A 的时基/PWM，F103 的定时器全家桶至此没有死角。调试手法也攒出一套：nm 查变量地址 + mdw 读运行中的值、compare-sections 鉴别固件身份、mww 不重烧录现场改参数、协同采样（人转旋钮+云端读寄存器）——没有示波器的环境下，调试器就是你的眼睛。

浮云落笔