8. 输入捕获

📝本节您将了解输入捕获的工作原理，学习如何利用定时器的捕获功能测量外部信号的频率和占空比。

🏆本章目标

1️⃣ 理解输入捕获的工作原理

2️⃣ 了解频率和占空比的测量方法

3️⃣ 通过 SysConfig 配置定时器输入捕获

4️⃣ 实现外部 PWM 信号的频率和占空比测量

8.1 输入捕获概念

输入捕获是 PWM 输出的"逆操作"——PWM 是产生一个已知频率和占空比的信号，输入捕获则是测量一个未知信号的频率和占空比。

工作原理：当捕获引脚检测到指定边沿（上升沿或下降沿）时，硬件自动将当前定时器计数值锁存到捕获寄存器中。通过读取连续两次捕获的计数值之差，即可计算出信号的周期，进而得到频率。

输入捕获原理示意图

测量占空比

要测量占空比，需要同时捕获上升沿和下降沿：

占空比测量原理

8.2 MSPM0G3519 输入捕获资源

MSPM0G3519 的 TIMG 和 TIMA 定时器均支持输入捕获功能。每个捕获/比较（CC）通道可配置为捕获模式，独立触发。

定时器	位宽	捕获通道数	适用场景
TIMG0	16-bit	2	基础频率测量
TIMG7	16-bit	2	基础频率测量
TIMG8	16-bit	2	输入捕获（支持 QEI 正交编码器接口）
TIMG12	32-bit	2	高精度 / 长周期测量
TIMA0	16-bit	4	多通道同时捕获
TIMA1	16-bit	2	编码器 / 多通道

位宽选择

• 16-bit 定时器：最大计数 65535。如果计数频率为 1MHz，最大可测量周期为 65.535ms（最低频率约 15 Hz）。
• 32-bit 定时器（TIMG12）：最大计数 4294967295，可测量极低频率信号。

如果被测信号频率较低（< 15 Hz），建议使用 TIMG12（32-bit，量程大但无预分频），或在当前 16-bit 定时器上增大预分频值。

天巧星编码器引脚

天巧星板载旋转编码器接在 TIMG8：

• PA29 → TIMG8 CCP0（编码器 A 相）
• PA30 → TIMG8 CCP1（编码器 B 相）
• PA31 → 编码器按键

本章实验使用其他空闲定时器通道进行输入捕获演示。

8.3 SysConfig 配置输入捕获

8.3.1 配置定时器为捕获模式

1. 打开 .syscfg 文件
2. 左侧面板找到 CAPTURE 或 TIMER 选项卡
3. 添加一个 Timer 实例，配置为捕获模式

参数	设置值	说明
Name	CAPTURE_0	实例名称
Timer Peripheral	TIMG0	选择定时器
Timer Mode	Capture	捕获模式
Timer Clock Source	BUSCLK	32MHz
Timer Clock Prescale	32	预分频（计数频率 1MHz）
Capture Edge	Rising Edge	上升沿捕获
Capture Pin	PB0	连接被测信号的引脚
Interrupt Enable	Enable	使能捕获中断

SysConfig 捕获模式配置

SysConfig 捕获模式配置

计数频率选择

计数频率决定了测量精度和量程：

• 计数频率越高 → 分辨率越高（测量越精确）→ 但量程越小（溢出越快）
• 计数频率越低 → 分辨率越低 → 但量程越大（可测低频信号）

1MHz 计数频率是一个平衡选择：分辨率 1μs，16-bit 定时器量程约 65ms（可测量范围约 15Hz ~ 500kHz）。

保存并编译。

8.4 频率测量实验

8.4.1 测量原理

MSPM0 的输入捕获在 EDGE_TIME 模式下，定时器向下计数（从周期值递减到 0）。每次捕获边沿到来时，硬件自动将当前计数值锁存到捕获寄存器。捕获值越小，说明从定时器复位后经过的时间越长。

通过每次捕获后立即复位定时器到周期值，下一次的"周期值 - 捕获值"即为两次边沿之间的计数值，即信号周期：

频率 = 计数频率 / (周期值 - 捕获值)

以本章配置为例：计数频率 1MHz，周期值 65534，若捕获值为 64533，则信号周期 = 65534 - 64533 = 1001 个计数 = 1001μs，频率约为 999Hz。

EDGE_TIME 模式说明

EDGE_TIME 是 MSPM0 输入捕获的核心工作模式。在此模式下，定时器以递减方式从预设的周期值向下计数到 0 后自动重载。每次检测到指定边沿时，硬件自动将当前递减计数值锁存到捕获寄存器。由于定时器不断递减，周期值 - 捕获值 就是自上次复位以来经过的计数值。配合每次捕获后立即复位，即可实现"每次捕获值直接对应时间间隔"的效果。该模式因此得名 EDGE_TIME（边沿时间测量）。

8.4.2 实验代码

#include "ti_msp_dl_config.h"
#include <stdio.h>

volatile uint32_t capture_period = 0;
volatile uint8_t  capture_flag   = 0;

void uart_send_string(const char *str)
{
    while (*str) {
        while (DL_UART_Main_isBusy(UART_0_INST));
        DL_UART_Main_transmitData(UART_0_INST, *str++);
    }
}

int main(void)
{
    SYSCFG_DL_init();

    uart_send_string("Capture Freq Test\r\n");

    DL_TimerG_startCounter(PWM_0_INST);

    NVIC_EnableIRQ(CAPTURE_0_INST_INT_IRQN);
    DL_TimerG_startCounter(CAPTURE_0_INST);

    char buf[64];

    while (1) {
        if (capture_flag) {
            NVIC_DisableIRQ(CAPTURE_0_INST_INT_IRQN);
            capture_flag = 0;
            uint32_t period = capture_period;
            NVIC_EnableIRQ(CAPTURE_0_INST_INT_IRQN);

            if (period > 0) {
                uint32_t freq = 1000000 / period;
                sprintf(buf, "Freq: %u Hz, Period: %u us\r\n",
                        freq, period);
                uart_send_string(buf);
            }
        }
        delay_cycles(CPUCLK_FREQ / 10);
    }
}

void TIMG0_IRQHandler(void)
{
    switch (DL_TimerG_getPendingInterrupt(CAPTURE_0_INST)) {
        case DL_TIMER_IIDX_CC0_DN:
            // 周期值 - 捕获值 = 经过的计数值（即信号周期）
            capture_period = 65534 - DL_TimerG_getCaptureCompareValue(
                CAPTURE_0_INST, DL_TIMER_CC_0_INDEX);
            // 复位计数器，准备下一次测量
            DL_TimerG_setTimerCount(CAPTURE_0_INST, 65534);
            capture_flag = 1;
            break;
        default:
            break;
    }
}

代码说明

• EDGE_TIME 模式下，定时器从 65534 递减计数。捕获事件锁存的是当前递减计数值。
• 每次捕获后，ISR（Interrupt Service Routine，中断服务函数）立即将定时器复位到 65534，这样下一次捕获得到的"周期值 - 捕获值"就是两次边沿之间的精确时间间隔。
• DL_TIMER_IIDX_CC0_DN 表示 CC0 通道的捕获事件中断。名称中的 DN 代表定时器向下计数模式下的捕获锁存事件。
• 主循环通过 NVIC_DisableIRQ / NVIC_EnableIRQ（CMSIS 中断开关函数）保护共享变量，避免 ISR 更新变量时主循环读到不完整的数据（临界区保护）。
• delay_cycles(CPUCLK_FREQ / 10) 约 100ms，控制串口输出速度。delay_cycles() 是 MSPM0 SDK 提供的 CPU 周期级延时函数（参数 = CPU 周期数，32MHz 下 CPUCLK_FREQ / 10 = 3,200,000 周期）。

8.4.3 测量精度说明

捕获的精度受以下因素影响：

因素	影响	典型误差
时钟源精度	BUSCLK 由内部振荡器产生，存在固有偏差	±2% 以内
ISR 延迟	中断响应 + 寄存器读写会影响复位时机	1~2 个计数（约 1~2μs）
计数量化	匹配度取决于信号周期与计数周期的整除关系	±1 个计数

实际测试数据（用板载 PWM 自测）：

• 输入 1kHz → 测量值约 997~1003 Hz（误差 < 1%）
• 输入 10kHz → 测量值约 10309 Hz（误差约 3%）

10kHz 时误差增大是因为 ISR 延迟在 100μs 周期中的占比（约 3μs）高于 1kHz 时在 1000μs 周期中的占比。每次捕获后 ISR 需要先读取捕获寄存器、计算差值、再复位定时器，这一过程约需数微秒，导致实际复位时机略晚于边沿。如需更高精度，可在捕获 ISR 中只做最少操作（置标志位），将计算放到主循环，或使用更高计数频率降低量化误差。但在入门实验中，该精度已满足学习需求。

8.4.4 测试方法

本实验在代码中同时配置了 PWM 输出（PWM_0）和输入捕获（CAPTURE_0）。将天巧星的 PWM 输出引脚用杜邦线连接到捕获输入引脚，即可测量自身产生的 PWM 信号频率。

SysConfig 关键配置

PWM_0（输出信号源）：

• 定时器：TIMG7，时钟分频 32（1MHz），计数周期 1000（输出约 1kHz），占空比 50%
• 引脚：PA17

CAPTURE_0（输入捕获）：

• 定时器：TIMG0，时钟分频 32（1MHz），周期 65.535ms
• 捕获边沿：上升沿，引脚：PB0
• 中断：使能 CC0_DN

接线：用杜邦线连接 PA17（PWM 输出）→ PB0（捕获输入）。

也可使用信号发生器输出已知频率的方波，验证测量精度。

8.5 占空比测量实验

测量占空比需要在同一个捕获通道上依次捕获上升沿和下降沿。通过在 ISR 中动态切换捕获边沿，利用状态机依次获取高电平时间和低电平时间。

每次边沿捕获后复位定时器，三次捕获即可测得一个完整周期的频率和占空比。

8.5.1 实验代码

#include "ti_msp_dl_config.h"
#include <stdio.h>

volatile uint32_t high_time    = 0;  // 高电平时间（微秒）
volatile uint32_t low_time     = 0;  // 低电平时间（微秒）
volatile uint8_t  result_ready = 0;

void uart_send_string(const char *str)
{
    while (*str) {
        while (DL_UART_Main_isBusy(UART_0_INST));
        DL_UART_Main_transmitData(UART_0_INST, *str++);
    }
}

int main(void)
{
    SYSCFG_DL_init();

    uart_send_string("Capture Duty Test\r\n");
    uart_send_string("Connect PA17 -> PB0 with wire\r\n");

    DL_TimerG_startCounter(PWM_0_INST);

    NVIC_EnableIRQ(CAPTURE_0_INST_INT_IRQN);
    DL_TimerG_startCounter(CAPTURE_0_INST);

    char buf[64];

    while (1) {
        if (result_ready) {
            NVIC_DisableIRQ(CAPTURE_0_INST_INT_IRQN);
            result_ready = 0;
            uint32_t ht = high_time;
            uint32_t lt = low_time;
            NVIC_EnableIRQ(CAPTURE_0_INST_INT_IRQN);

            uint32_t period = ht + lt;        // 周期 = 高 + 低
            if (period > 0) {
                uint32_t freq = 1000000 / period;
                uint32_t duty = ht * 100 / period;
                sprintf(buf, "Freq: %u Hz, Duty: %u%%, "
                             "High: %u us, Period: %u us\r\n",
                        freq, duty, ht, period);
                uart_send_string(buf);
            }
        }
        delay_cycles(CPUCLK_FREQ / 10);
    }
}

void TIMG0_IRQHandler(void)
{
    // 状态: 0=初始（等第一个上升沿）, 1=等下降沿, 2=等上升沿
    // 周期: 0 → 1 → 2 → 1 → 2 → …（首轮后跳过状态0）
    static uint8_t state = 0;

    switch (DL_TimerG_getPendingInterrupt(CAPTURE_0_INST)) {
        case DL_TIMER_IIDX_CC0_DN: {
            // 1. 读取捕获值（递减计数值 → 转为经过的时间）
            uint32_t cap = 65534 - DL_TimerG_getCaptureCompareValue(
                CAPTURE_0_INST, DL_TIMER_CC_0_INDEX);

            // 2. 根据当前状态，决定本次捕获值对应什么
            if (state == 1) high_time    = cap;   // 下降沿 → 高电平时间
            if (state == 2) { low_time   = cap;   // 上升沿 → 低电平时间
                             result_ready = 1; }  //   → 通知主循环

            // 3. 切换边沿 + 复位定时器（所有分支的共同操作）
            DL_Timer_setCaptureCompareCtl(CAPTURE_0_INST,
                DL_TIMER_CC_MODE_CAPTURE,
                (state == 1) ? DL_TIMER_CC_CCOND_TRIG_RISE   // 刚测完高电平 → 等上升沿
                             : DL_TIMER_CC_CCOND_TRIG_FALL,  // 否则 → 等下降沿
                DL_TIMER_CC_0_INDEX);
            DL_TimerG_setTimerCount(CAPTURE_0_INST, 65534);

            // 4. 推进状态：0→1, 1→2, 2→1（跳过0，循环往复）
            state = (state == 2) ? 1 : state + 1;
            break;
        }
        default:
            break;
    }
}

代码说明

ISR 逻辑分为四步，每步一行注释：

步骤	说明
1. 读取	获取捕获值，65534 - cap 转为经过的微秒数
2. 分类	状态 1（下降沿到来）→ 存入高电平时间；状态 2（上升沿到来）→ 存入低电平时间并通知主循环
3. 切换	先切换边沿、再复位定时器（避免错过新边沿）。状态 1 后等上升沿，否则等下降沿
4. 推进	0 → 1 → 2 → 1 → 2 → …，首轮之后跳过初始化状态直接循环

首次捕获（状态 0）不计算、不输出——仅完成"切换为下降沿 + 复位"的准备工作，之后进入正常的 1→2 循环。

接线和 SysConfig 配置

与 8.4 节相同：

• 杜邦线连接 PA17（PWM 输出）→ PB0（捕获输入）
• PWM 配置：TIMG7，1MHz 计数，周期 1000，占空比 50%
• 捕获配置：TIMG0，1MHz 计数，周期 65.535ms，上升沿

注意事项

• 动态切换边沿检测需要调用底层 API DL_Timer_setCaptureCompareCtl，该函数直接操作捕获控制寄存器
• 高频信号测量时 ISR 执行时间可能影响精度，详见 8.4.3 精度说明
• 低频信号测量时考虑使用 32-bit 定时器（TIMG12）避免溢出

8.6 知识总结

内容	说明
输入捕获本质	边沿触发时锁存定时器计数值
计数方向	MSPM0 的 EDGE_TIME 模式为递减计数（周期值 → 0）
频率测量	每次捕获后复位定时器，捕获值对应的差值即为周期
占空比测量	动态切换捕获边沿（上升/下降），用状态机依次测得高/低电平时间
精度	取决于计数频率（1MHz → 分辨率 1μs），受时钟精度和 ISR 延迟影响
量程	取决于计数器位宽和预分频，16-bit 定时器可测约 15Hz ~ 500kHz

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输入捕获使你能够精确测量外部信号参数。下一章将学习 ADC（模数转换），实现对模拟电压信号的数字化采集。