STM32单片机-输入捕获、FFT测频
原创
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！
一、硬件连接
1、电压信号处理电路仿真
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。
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。
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。
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);
…………
}--------------------------------
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
}
}
}
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。
三段式保护移步：继电保护原理1.1-电流、方向保护，反进限移步：继电保护原理1.2-反时限过流保护。
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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)。
3、屏显驱动介绍
移步：12864液晶显示原理(C代码)。
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
}-----------------------------------------------------------
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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