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编程问答

FTM的PWM、输入捕获、正交解码

發(fā)布時間：2023/12/16 编程问答 40 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 FTM的PWM、输入捕获、正交解码小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

FTM是一個神奇的模塊，他能輸出PWM，能輸入捕獲，能輸出比較還能正交解碼。英文全稱是FlexTimer Module，你可以理解為高級定時器模塊、易用定時器模塊等等。不僅僅在Kinetis 32位處理器中，FTM是個常用的模塊，在飛思卡爾的8位處理器中，他也是個常用的模塊，只不過名字叫TPM。FTM會用了，飛思卡爾的其他單片機的FTM、TPM你就都會用了。在OSKinetis固件庫中，我們可以用FTM模塊來實現(xiàn)PWM、輸入捕獲和正交解碼等常用功能，借用庫函數(shù)實現(xiàn)功能不難，難的是理解這些功能怎么用、什么原理才是最重要的，下面我們一一介紹這3個功能。當然看完本文你就能用寄存器編寫FTM的各個功能嗎，呵呵，不可能的！否則要那1000多頁的技術(shù)文檔干什么用，但是我希望本文能起到拋磚引玉的功能，在你會用庫函數(shù)的基礎(chǔ)上，對他的內(nèi)部機制有一個了解。

? 介紹幾個小伙伴（FTM寄存器）

要想搞清楚FTM模塊，首先我們要介紹幾個重要的寄存器給大家，他們就像小伙伴一樣，好好利用可以幫大忙呢。

FTMx_CNT小朋友（計數(shù)器寄存器），他負責喊號（計數(shù)）。
FTMx_SC小朋友（狀態(tài)和控制寄存器），他負責……寄存器名字面意思，具體說就是決定CNT小朋友的喊號的快慢（計數(shù)頻率，包括時鐘源的選擇和分頻系數(shù)）。他還負責其他一些雜事，比如計數(shù)溢出、中斷使能等等。
FTMx_MOD小朋友（模數(shù)寄存器），他負責記住一個數(shù)字，當CNT小朋友喊道這個數(shù)字的時候，他就提醒相關(guān)人員干一些事情，比如產(chǎn)生溢出中斷標志，比如讓CNT重新開始喊號。
FTMx_CNTIN小朋友（計數(shù)器初始值寄存器），他告訴CNT小朋友哪哪個數(shù)開始喊。
其中x代表不同的FTM模塊的標號，比如MK60D系列單片機，有3個FTM模塊，x就為0~2。

PWM輸出功能

PWM工作原理

PWM是什么，能做什么用，不是我們要講的，相信你也能百度到。這里我們主要講PWM在Kinetis的FTM模塊中是怎么工作的。還記得上面介紹的幾個小朋友嗎，他們只要一起干活，我們的PWM波就可以生成了，下面我來說說他們是怎么干活的。哦對了，說到PWM還有一個小朋友要介紹，就是FTMx_CnV（通道值寄存器）小朋友。其中n代表FTMx有n個這樣的小朋友，對于FTM0模塊來說，有8個。他們8個人負責PWM的脈寬（即占空比），他們每個人也會記住一個數(shù)字，當CNT喊道這個數(shù)字的時候，他就讓PWM的輸出產(chǎn)生上升或下降沿。
PWM最重要參數(shù)就是頻率（周期的倒數(shù)）和占空比，下面的兩個公式解釋了他們是怎么確定的：

PWM的周期=(MOD–CNTIN +?1)?x?計數(shù)器周期
PWM的占空比=(CnV ? CNTIN)?/ PWM的周期

怎么樣，上面的公式結(jié)果都是由我們認識的小朋友決定的吧。下面我來解說下這個工作流程，首先公式中的計數(shù)器周期是SC小朋友決定的，前面說了他負責喊號的快慢，因為他負責決定采用哪個頻率為輸入頻率，這些頻率候選有系統(tǒng)時鐘、固定頻率時鐘以及外部時鐘，他還負責這些輸入頻率的分頻系數(shù)，總之SC小朋友決定了計數(shù)器周期，也就是CNT小朋友喊號的快慢。然后CNT小朋友從CNTIN小朋友那里知道了要喊的第一個數(shù)，他按照SC決定的快慢一直喊道MOD告訴他的數(shù)，喊完這些數(shù)，一個PWM周期也就產(chǎn)生了！
那么PWM的脈寬是怎么決定的呢，首先假定CNT在喊第一個數(shù)的時候，PWM通道輸出高電平，當CNT喊到CnV小朋友告訴他的號的時候，PWM輸出通道就會變?yōu)榈碗娖?#xff0c;直到CNT繼續(xù)喊道MOD的時候一個PWM周期結(jié)束，當重新開始喊CNTIN的號的時候，PWM的輸出通道又變?yōu)榱烁唠娖?#xff0c;這樣持續(xù)下去，就產(chǎn)生了PWM波形！
你以為一個FTMx模塊只能輸出一路PWM就錯了，我們剛才說了CnV根據(jù)x的不同，有n個通道可以輸出PWM，如果是x=0，那么FTM0就有8個CnV，C0V到C7V這8個小朋友，因此FTM0可以輸出8路不同占空比的PWM，但是由于負責喊號的CNT以及他的其他小伙伴在FTM0中僅僅各有1人，因此FTM0只能輸出一種頻率的PWM。

如果上面的描述讓你和你的小伙伴都驚呆了，那么就看看上面這幅圖，從技術(shù)文檔中的Figure 39-181截出來的。紅圈后面的波形就行PWM輸出通道輸出的波形。深綠色的圈代表CNT從CNTIN開始計數(shù)，此時輸出高電平。當計數(shù)到CnV的時候，淺綠色圈處，產(chǎn)生channel(n)match通道匹配事件，變?yōu)榈碗娖健．斦麄€計數(shù)周期完成，即藍圈的范圍，CNT計數(shù)到MOD時，一個波形輸出完成。

PWM例程講解

前面講了FTM中的幾個小伙伴的故事，目的是為了讓大家了解PWM的工作流程，下面我們來具體看看例程中，是如何利用庫函數(shù)來生成PWM的。首先看例程“LPLD_ServoControl”，這是一個控制舵機轉(zhuǎn)動的例程，我們知道舵機的控制PWM頻率一般是50Hz，其他的舵機有可能不同，因此我們的初始化函數(shù)初始化PWM頻率為50,定位pwm_init()函數(shù)，看其代碼：

01	ftm_init_struct.FTM_Ftmx = FTM0; //使能FTM0通道
02	ftm_init_struct.FTM_Mode = FTM_MODE_PWM; //使能PWM模式
03	ftm_init_struct.FTM_PwmFreq = 50; //PWM頻率50Hz
04	LPLD_FTM_Init(ftm_init_struct);
05	LPLD_FTM_PWM_Enable(FTM0, //使用FTM0
06	FTM_Ch0, //使能Ch0通道
07	angle_to_period(0), //初始化角度0度
08	PTC1, //使用Ch0通道的PTC1引腳
09	ALIGN_LEFT //脈寬左對齊
10	);

Line 1：使能FTM0通道。
Line 2：配置FTM_Mode成員變量，使用FTM的PWM輸出功能。
Line 3：配置PWM輸出的頻率為50Hz，你只要直接寫頻率的數(shù)值即可，至于剛才講的CNTIN、MOD、SC寄存器的值，庫函數(shù)會自動搞定。而且切記，每個FTMx只能產(chǎn)生一種頻率，這個頻率在初始化配置時就確定了，如果你想用第二種頻率，就使能再初始化FTM1或FTM2了。
Line 4：調(diào)用FTM通用初始化函數(shù)初始化該模塊。
Line 5：PWM通道輸出使能函數(shù)，你光配置了FTM0的PWM輸出功能還不夠，還要決定用哪個PWM通道來輸出波形哦！其中FTM0有8個通道，這里使能通道0 FTM_Ch0，每個通道又可能有不同的物理輸出引腳，這里用CH0的PTC1引腳來輸出PWM，還要配置占空比，這里我們用了自定義函數(shù)angle_to_period()來將舵機的角度值轉(zhuǎn)化為函數(shù)需要的占空比值。最后一個參數(shù)是PWM脈寬的對其方式，默認是左對齊。關(guān)于此函數(shù)的參數(shù)的具體范圍，請參考FTM模塊的在線函數(shù)手冊（點擊進入）。

初始化完成后的代碼如下所示：

1	delay(1000);
2	//初始化延時后改變角度為45度
3	LPLD_FTM_PWM_ChangeDuty(FTM0, FTM_Ch0, angle_to_period(45));

Line 1：在初始化完畢后，首先應該延時一段時間，以保證舵機可以有足夠的時間歸位。
Line 3：調(diào)用LPLD_FTM_PWM_ChangeDuty()函數(shù)來改變CH0通道的占空比，該函數(shù)和PWM通道使能函數(shù)的個別參數(shù)一樣，使用時最好先參考在線函數(shù)手冊。

輸入捕獲功能

IC工作原理

IC就是Input Capture的英文縮寫，即輸入捕獲。很多新手不僅疑惑FTM，還疑惑他怎么還有這么多功能，更疑惑這么多功能中輸入捕獲到底干什么用。首先FTM為什么除了能生成PWM，還有其他功能，這都是因為他有這么多給力的小伙伴（寄存器），上面介紹那些小朋友不僅能生成PWM，還能利用自身特長，搖身一變成輸入捕獲功能。那么輸入捕獲有什么用呢，輸入什么？捕獲什么？他就像PWM的逆變一樣，通過輸入PWM方波，捕獲上升沿或者下降沿，來計算出PWM的頻率或者占空比。
那么這幾個小朋友是怎么工作，來實現(xiàn)輸入捕獲功能的呢，且聽我一一道來。首先CnV小朋友不再負責記住一個數(shù)了，而是隨時待命，隨時準備記錄下CNT小朋友喊的數(shù)字。當FTM的輸入通道產(chǎn)生一個上升沿或者下降沿的時候，就會產(chǎn)生一個中斷，這是CnV小朋友就會立刻記錄下CNT小朋友喊的數(shù)字，我們只要知道兩次中斷之間CnV小朋友記錄的計數(shù)的差，就可以間接計算出中斷間隔時間了，從而可以計算出PWM方波的頻率。當然CNT小朋友喊號的頻率還是有SC小朋友決定的。假設(shè)我們知道CNT喊號的頻率為fCNT,CnV自從上次中斷后記錄的計數(shù)差為cv,配置捕獲上升沿時產(chǎn)生中斷，那么兩次中斷的時間差的倒數(shù)就是PWM方波的頻率：

輸入PWM頻率=fCNT/cv

同樣還是來看一下我從技術(shù)文檔中截下來的圖，原圖初出自Figure 39-175。紅框圈出來的是FTM的通道輸入，這個通道在物理引腳上和PWM的輸出通道是共用的，只不過隨著功能的不同，輸入輸出都可以。橙色圈代表的是判斷到底是上升沿還是下降沿來觸發(fā)沖斷。深色綠圈代表了CnV在這個事件來臨的時候記錄下CNT的數(shù)值，淺綠色是CNT計數(shù)器的值。藍色圈代表我們即將產(chǎn)生的中斷信號。

?IC例程講解

打開例程“LPLD_InputCapture”，在這里例程中，我們利用FTM0生成一路PWM，用于測試他的頻率，用FTM1配置為輸入捕獲模塊，來采集PWM并計算他的頻率。pwm_init()初始化函數(shù)的代碼我們就不贅述了，相信大家都能看懂，直接看下輸入捕獲的初始化函數(shù)ic_init()的代碼：

1	ftm1_init_struct.FTM_Ftmx = FTM1; //使能FTM1通道
2	ftm1_init_struct.FTM_Mode = FTM_MODE_IC; //使能輸入捕獲模式
3	ftm1_init_struct.FTM_ClkDiv = FTM_CLK_DIV128; //計數(shù)器頻率為總線時鐘的128分頻
4	ftm1_init_struct.FTM_Isr = ic_isr; //設(shè)置中斷函數(shù)
5	LPLD_FTM_Init(ftm1_init_struct);
6	LPLD_FTM_IC_Enable(FTM1, FTM_Ch0, PTB0, CAPTURE_RI);
7	LPLD_FTM_EnableIrq(ftm1_init_struct);

Line 2：配置FTM1為輸入捕獲模式。
Line 3：設(shè)置計數(shù)器的分頻系數(shù)為128,剛才我們講過要計算PWM的頻率，就要知道CNT計數(shù)器的頻率，在OSKinetis固件庫中，CNT的時鐘源為總線時鐘，如果這里設(shè)置為FTM_CLK_DIV128，那么CNT的頻率就是總線頻率/128。
Line 4：設(shè)置FTM的中斷函數(shù)，用于處理捕獲事件。
Line 6：使能輸入捕獲的輸入通道，和PWM的使能通道同理，這里要設(shè)置需要用到的通道號為FTM_Ch0，通道對應的物理引腳為PTB0，捕獲邊緣為上升沿CAPTURE_RI。關(guān)于此函數(shù)的參數(shù)的具體范圍，請參考FTM模塊的在線函數(shù)手冊（點擊進入）。
Line 7：一定要記住使能中斷。
?
輸入捕獲初始化完畢后，FTM1就會在PTB0有輸入PWM的時候產(chǎn)生中斷了，接下來看一下其中斷函數(shù)是怎么寫的：

01	void ic_isr(void)
02	{
03	uint32 cnt;
04	if(LPLD_FTM_IsCHnF(FTM1, FTM_Ch0))
05	{
06	cnt=LPLD_FTM_GetChVal(FTM1, FTM_Ch0);
07	Freq1=(g_bus_clock/LPLD_FTM_GetClkDiv(FTM1))/cnt;
08	LPLD_FTM_ClearCounter(FTM1);
09	LPLD_FTM_ClearCHnF(FTM1, FTM_Ch0);
10	}
11	}

Line 4：首先調(diào)用LPLD_FTM_IsCHnF()函數(shù)判斷是不是FTM1的Ch0通道產(chǎn)生的捕獲事件，因為每個FTMx的所有通道中斷都是公用一個中斷函數(shù)的，所以為了安全，必須在中斷中判斷是哪個通道產(chǎn)生的中斷。
Line 6：獲得Ch0通道的計數(shù)值，并存到臨時變量cnt中。這個值就是C0V小朋友在事件來臨的一瞬間，從CNT那里記錄下來的計數(shù)值。
Line 7：用上將講到的頻率計算公式來計算出PWM的頻率。這里LPLD_FTM_GetClkDiv()可以得到我們初始化時設(shè)置的計數(shù)器分頻系數(shù)，g_bus_clock變量是總線頻率的數(shù)值，用(g_bus_clock/LPLD_FTM_GetClkDiv(FTM1))就得到了計數(shù)器CNT的技術(shù)頻率，在除以cnt計數(shù)值，得到的就是輸入方波的頻率。
Line 8：用LPLD_FTM_ClearCounter()函數(shù)清空CNT小朋友的計數(shù)值，以便我們下次中斷獲取的值是從0開始的，方便計算。
Line 9：用LPLD_FTM_ClearCHnF()函數(shù)清除Ch0通道的中斷標志。

正交解碼

正交解碼原理

講到正交解碼，其實并沒有什么神秘的，名字聽起來挺高端大氣上檔次的，其實實現(xiàn)起來非常簡單，我覺得反而是FTM模塊中最簡單的功能。首先要清楚正交解碼是干嘛用的，舉個栗子？霍爾編碼器是常用的電機測速傳感器，他不僅可以測速，還可以知道電機的正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，靠的就是他能輸出兩路正交信號，我們可以通過正交信號的相位差來識別出當前電機的轉(zhuǎn)動方向。因此有了FTM模塊，我們就可以將這兩路正交信號PhA和PhB輸入到FTM的正交輸入通道，通過正交解碼功能，直接讀取脈沖的計數(shù)值，這個計數(shù)值是有符號的，正數(shù)代表正轉(zhuǎn)，負數(shù)則代表反轉(zhuǎn)。

具體到FTM內(nèi)部時怎樣工作的，還要提到CNT小朋友，在正交解碼模式下，他不再按照SC給定的規(guī)則喊號了，而是根據(jù)兩路PhA和PhB正交信號的狀態(tài)來計數(shù)。你也可以理解為CNT小朋友是一個解碼員，當然具體是增計數(shù)還是減計數(shù)，不是CNT說了算，FTM內(nèi)部有一套復雜的機制決定。而且這個正交解碼功能有兩種解碼方法可以選擇，分別是計數(shù)和方向編碼、相位A和相位B編碼。他們的解碼方法如下面兩圖所示：
上圖是計數(shù)和方向編碼方法，紅框后面的波形是FTM輸入通道PhB的波形，它代表計數(shù)方向，籃框后面的波形是FTN輸入通道PhA的波形，它代表計數(shù)個數(shù)，這是一種編碼方法，當PhB為高電平時，CNT加計數(shù)，當PhB低電平時，CNT減計數(shù)，計數(shù)頻率由PhA決定。從圖中還可以看出，CNTIN小朋友決定從什么數(shù)開始計數(shù)，MOD小朋友決定計數(shù)到什么時候產(chǎn)生溢出中斷。
上圖是相位A和相位B編碼方法，這個是我們常用的正交解碼模式，也是霍爾編碼傳感器兩路波形輸出的方式。從圖中可以看到，當PhA和PhB處于特定的電平和邊沿時，他們的狀態(tài)共同決定了CNT是增還是減。具體原則如下：
CNT小朋友增計數(shù)時看到的是：
A上升沿，B邏輯低
B上升沿，A邏輯高
B下降沿，A邏輯低
A下降沿，B邏輯高
CNT小朋友減計數(shù)時看到的是：
A下降沿，B邏輯低
B下降沿，A邏輯高
B上升沿，A邏輯低
A上升沿，B邏輯高

正交解碼例程講解

要測試正交解碼例程，首先你要準備兩路正交信號，可以用霍爾編碼器的信號直接輸入。打開例程“LPLD_QuadratureDecoder”，看正交解碼初始化函數(shù)qd_init()的代碼：

1	ftm_init_struct.FTM_Ftmx = FTM1; //只有FTM1和FTM2有正交解碼功能
2	ftm_init_struct.FTM_Mode = FTM_MODE_QD; //正交解碼功能
3	ftm_init_struct.FTM_QdMode = QD_MODE_PHAB; //AB相輸入模式
4	LPLD_FTM_Init(ftm_init_struct);
5	LPLD_FTM_QD_Enable(FTM1, PTB0, PTB1);

Line 2：配置FTM1為正交解碼功能，這里需要注意的是，FTM中只有FTM1和FTM2具有正交解碼輸入通道，FTM0是沒有的。
Line 3：選擇解碼模式為AB相輸入模式解碼QD_MODE_PHAB。
Line 5：使能FTM1的正交解碼物理輸入引腳，調(diào)用LPLD_FTM_QD_Enable()函數(shù)，第二個參數(shù)是PhA相的物理引腳，第三個參數(shù)的PhB的。關(guān)于此函數(shù)的參數(shù)的具體范圍，請參考FTM模塊的在線函數(shù)手冊（點擊進入）。

正交解碼初始化完畢后，還要初始化定時中斷模塊，因為我們要在固定的間隔時間內(nèi)獲取計數(shù)值才能計算出頻率，所以就務必會用到PIT模塊。pit_init()函數(shù)是PIT初始化函數(shù)，相信大家都能讀懂，這里我就不重復解釋了。下面直接看PIT的中斷函數(shù)代碼：

1	qd_result = LPLD_FTM_GetCounter(FTM1);
2	LPLD_FTM_ClearCounter(FTM1);

Line 1：LPLD_FTM_GetCounter()函數(shù)可以獲取當前FTM計數(shù)器即CNT小朋友的計數(shù)值，當然這個值是有符號的，可以正可以是負數(shù)。如果是正代表電機在正轉(zhuǎn)，如果是負，代表電機在反轉(zhuǎn)。
Line 2：為了下次方便計數(shù)，情況CNT的計數(shù)值。
當然，本例程只是簡單的獲取計數(shù)值，如果你要計算頻率，還用通過你的定時中斷時間進一步計算。

FTM拾遺補缺

PWM死區(qū)

PWM死去是在是PWM輸出時，為了使H橋或半H橋的上下管不會因為器件本身的開關(guān)速度問題導致同時導通而設(shè)置的一個保護時段。這個時間在Kinetis的FTM模塊也是可以設(shè)置的，當然在庫函數(shù)使用時就更簡單了，你只要在配置PWM輸出時，配置FTM_PwmDeadtimeCfg和FTM_PwmDeadtimeDiv就可以了。這兩個成員變量的取值本文不再贅述，請參考在線函數(shù)手冊。

溢出中斷

除了輸入捕獲能產(chǎn)生中斷外，FTM內(nèi)部也會產(chǎn)生溢出中斷，這是你在使用輸入捕獲或者正交解碼時可能遇到的問題，那么什么是溢出中斷呢，它是當CNT計數(shù)器計數(shù)到上限時產(chǎn)生的一種中斷。你可以在初始化FTM時配置是否使能該中斷，利用成員變量FTM_ToiEnable。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的FTM的PWM、输入捕获、正交解码的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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