STM32应用开发实践教程：智能小车电机测速模块的应用开发

下面结合一个编码器接口模式下的计数器工作示例（如图3-4-5 所示），对表3-4-2 进行说明。

图 3-4-5 说明了计数信号的生成和方向控制，同时也说明了选择双边沿时如何对输入抖动
进行补偿。编码器接口的工作参数配置如下。
 CC1S=“01”（TIMx_CCMR1，TI1FP1 映射到 TI1 上）。
 CC2S=“01”（TIMx_CCMR2，TI1FP2 映射到 TI2 上）。
 CC1P=“0”，CC1NP=“0”，且 IC1F=“0000” （TIMx_CCER，TI1FP1 未反相，TI1FP1=TI1）。
 CC2P=“0”，CC2NP=“0”，且 IC2F=“0000” （TIMx_CCER，TI1FP2 未反相，TI1FP2=TI2）。
 SMS=“011”（TIMx_SMCR，两个输入在上升沿和下降沿均有效）。
 CEN=“1”（TIMx_CR1，使能计数器）。
对图 3-4-5 中各标号处的工作情况分析如下。
编号①处：在 TI1 上升沿，查看相对信号 TI2 的电平为低，查表 3-4-2，计数器递增。
编号②处：在 TI2 上升沿，查看相对信号 TI1 的电平为高，查表 3-4-2，计数器递增。
编号③处：在 TI1 下降沿，查看相对信号 TI2 的电平为高，查表 3-4-2，计数器递增。
编号④处：在 TI2 下降沿，查看相对信号 TI1 的电平为低，查表 3-4-2，计数器递增。
编号⑤处：在 TI1 上升沿，查看相对信号 TI2 的电平为低，查表 3-4-2，计数器递增。
编号⑥处：在 TI1 下降沿，查看相对信号 TI2 的电平为低，查表 3-4-2，计数器递减。
编号⑦处：在 TI1 上升沿，查看相对信号 TI2 的电平为低，查表 3-4-2，计数器递增。
编号⑧处：在 TI1 下降沿，查看相对信号 TI2 的电平为低，查表 3-4-2，计数器递减。

（3）编码器接口模式的编程配置步骤
掌握了定时器编码器接口的硬件框图及其工作原理等内容以后，我们可以开始学习如何对定
时器的编码器接口模式进行编程配置，使之对输入的 TI1FP1、TI2FP2 两个信号转换序列进行计
数与方向判断。本任务使用测频率法（M 法），即测量单位时间内的脉冲数后换算成频率，具体
的编程配置步骤如下。
① 配置编码器接口输入通道 GPIO 工作模式
以 TIM3 为例，配置其编码器输入通道（TI1 和 TI2）的 GPIO 端口（PC6 和 PC7）为复用
功能。具体配置方法可参考 PWM 信号输出通道 GPIO 端口的配置。
② 配置定时器的基本工作参数
本步骤通过调用 TIM_TimeBaseInit()函数配置“定时器基本初始化结构体(TIM_Time-
BaseInitTypeDef)”的各成员变量来完成，具体参考任务 3.1 的相关内容。
本步骤主要对定时器预分频器的分频因子和自动重装载寄存器值进行配置，一般配置为不分
频，自动重装载值为 65535，配置示例如下：
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 65535; // 配置 TIMx_ARR 值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;  // 配置预分频器的分频因子
③ 配置定时器的从模式为“编码器模式”，并配置各工作参数
配置从模式控制寄存器（TIMx_SMCR）的 SMS 位段为“011”，可使定时器工作在“编码
器模式 3”，并在 TI1FP1 和 TI2FP2 的边沿处都计数。编码器接口的其他工作参数可参照图 3-4-5
的工作示例进行配置，这是实际应用中最常用的一种配置。
本项配置涉及较多寄存器，但STM32F4标准外设库也提供了库函数TIM_EncoderInterfaceConfig()
来完成定时器“编码器模式”的配置，该库函数的原型定义如下：
void TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_EncoderMode,
uint16_t TIM_IC1Polarity, uint16_t TIM_IC2Polarity);
使用实例：
TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12,
TIM_ICPolarity_Rising, TIM_ICPolarity_Rising);
上述实例中，参数“TIM_EncoderMode_TI12”配置编码器接口在 TI1 和 TI2 的边沿处均计
数，参数“TIM_ICPolarity_Rising”配置 TI1FP1 和 TI2FP2 未反相。另外，该库函数还配置了
TI1FP1 与 TI1、TI2FP2 与 TI2 的映射关系，具体实现方式可参考 STM32F4 标准外设库源代码。
④ 编写计数值处理与速度换算函数
以定时器 3 工作在编码器接口模式为例，使用 M 法测量单位时间内的脉冲数的具体实现流
程如下：
 先采集一次定时器 3 的计数值；
 经过一定的时间间隔（由定时器 6 更新中断实现）后，再采集一次定时器 3 的计数值；
 将本次计数值与上次计数值相减，得到差值；
 由于计数值存在溢出的可能，如递增计数至 65535 或递减计数至 0，因此需要对差值进
行处理（分递增计数和递减计数两种情况）；
 根据直流电机的减速比、编码器分辨率等参数将“计数值”换算成“电机的转速”。
⑤ 配置另一个定时器限定采样的时间间隔
通过学习电机测速方法，我们知道 M 法需要测量单位时间内的脉冲数。当定时器被配置工
作在编码器接口模式下时，相当于使用了带有方向选择的外部时钟，此时定时器无法实现基本的
定时功能。因此必须配置另一个定时器以实现定时功能，限定采样的时间间隔。如使用定时器 6，
配置它工作使用内部时钟，计数器工作在递增计数模式，并使能更新中断。具体配置方法与 3.1
节相同，此处不再赘述。
⑥ 编写另一个定时器的中断服务函数
在中断服务函数中，调用步骤④的计数值处理与速度换算函数，实现计算单位时间内的电机
转速的功能。 

3.4.3 任务实施
1．硬件接线
一般带编码器的电机外部接线如图 3-4-6 所示。

从图 3-4-6 中可以看到，直流电机共有 6 根外部接线，其上安装的编码器可输出 A、B 两
相脉冲，另外 4 根接线分别是：电机电源+、电机电源-、编码器电源和编码器地线。
编制表 3-4-3 所示的电机测速模块硬件接线表，并将直流电机（编码器）、DRV8848 电机
驱动和 STM32F4 系列微控制器相连。

 2．电机测速模块的程序流程图
图 3-4-7 是电机测速模块的程序流程，图 3-4-7（a）为主程序流程，图 3-4-7（b）为
TIM6 定时器中断程序流程。

3．编写定时器 3 的编码器接口功能配置程序
复制一份任务 3.3 的工程，并将其重命名为“task3.4_Timer_Encoder_MotorSpeed”。在
“TIMER”文件夹下新建“timer3.c”和“timer3.h”两个文件，将它们加入工程中，并配置头文
件包含路径。
本配置步骤包含 3 个子流程：
 配置编码器接口输入通道 GPIO 工作模式；
 配置定时器的基本工作参数；
 配置定时器的从模式为“编码器模式”，并配置各工作参数。
在“timer3.c”文件中输入以下代码：

#include "timer3.h"
#include "usart.h"
/*  注意 :lastCount 应使用静态变量 */
static int16_t lastCount = 0;
/**
* @brief Timer3 编码器接口输入通道相关 GPIO 模式配置
* @param None
* @retval None
*/
void TIM3_GPIO_Config(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOC,ENABLE);
/* PC6|PC7  复用为 TIM3 编码器接口 AB 相输入 */
GPIO_PinAFConfig(GPIOC,GPIO_PinSource6,GPIO_AF_TIM3);
GPIO_PinAFConfig(GPIOC,GPIO_PinSource7,GPIO_AF_TIM3);
/* TI1FP1:PC6 | TI2FP2:PC7 */
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;// 复用功能
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;
GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStructure);
}
/**
* @brief Timer3 编码器接口功能初始化
* @param arr: 自动重载寄存器值， PSC: 预分频器分频系数
* @retval None
*/
void TIM3_Encoder_Init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 1;
TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseInitStructure);
/*  配置 TIM3 编码器接口的工作参数 */
TIM_EncoderInterfaceConfig(TIM3, TIM_EncoderMode_TI12,
TIM_ICPolarity_Rising,
TIM_ICPolarity_Rising);
TIM_SetCounter(TIM3, 0);  //TIM3 计数值清零
TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);  // 启动 TIM3 定时器
}

 4．编写计数值处理与速度换算函数
在“timer3.c”文件中继续输入以下代码：

static float motorSpeed = 0.0;
volatile uint16_t curCount = 0; // 用于获取编码器当前计数值
volatile int32_t realValue = 0; // 用于存放差值
/**
* @brief 换算电机转速
* @param TIMx:  定时器编号，如 TIM3
* @retval  电机转速 ( 单位： r/s)
*/
float Cal_Motor_Speed(TIM_TypeDef* TIMx)
{
motorSpeed = 0.0;
curCount = TIMx->CNT;  // 获取编码器计数值
realValue = curCount - lastCount;  // 计算差值
/*  计数值溢出处理 */
if(realValue >= MAX_COUNT) // 计数值上溢
{
realValue -= ENCODER_TIM_PERIOD;
}
else if(realValue < -MAX_COUNT) // 计数值下溢
{
realValue += ENCODER_TIM_PERIOD;
}
printf(" 当前值为 : %d\r\n",curCount);
printf(" 上次值为 : %d\r\n",lastCount);
printf(" 捕获值为 : %d\r\n",realValue);
lastCount = curCount; 
motorSpeed = (float)realValue/4/2/80;
printf(" 电机转速为 : %0.2f(r/s)\r\n", motorSpeed);
printf("***********************\r\n");
return motorSpeed;
}
/**
* @brief TIMx Counter 与上次计数值清零
* @param TIMx:  定时器编号，如 :TIM3
* @retval None
*/
void TIM_Clear_Counter(TIM_TypeDef* TIMx)
{
lastCount = 0; // 上次编码器计数值清零
TIM_SetCounter(TIMx, 0);  //TIMx 计数值清零
}

 上述代码段的第 11～22 行对计数值的上溢和下溢进行处理，第 27 行将计数值换算为电机
转速。由于在 TI1 和 TI2 的上升沿和下降沿均捕获信号，相当于对计数值进行了“四倍频”处理，
因此在最终换算时要除以 4。另外，第 27 行中的“2”代表码盘上的栅格为 2，“80”代表该电
机的减速比为 1:80，最终的 motorSpeed 值为电机经减速器输出后的转速，单位为“r/s”。
在“timer3.h”文件中输入以下代码：

#ifndef __TIMER3_H
#define __TIMER3_H
#include "sys.h"
#define MAX_COUNT 10000
#define ENCODER_TIM_PERIOD 65535
void TIM3_GPIO_Config(void);
void TIM3_Encoder_Init(uint16_t arr, uint16_t psc);
float Cal_Motor_Speed(TIM_TypeDef* TIMx);
void TIM_Clear_Counter(TIM_TypeDef* TIMx);
#endif

5．配置另一个定时器限定采样的时间间隔并编写定时器中断服务函数
在“timer6.c”文件中输入以下代码：

#include "timer6.h"
#include "timer3.h"
#include "usart.h"
/**
* @brief TIM6 定时中断功能初始化
* @param arr:  自动重装载值， PSC:  定时器预分频值
* @retval None
*/
void TIM6_Int_Init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6,ENABLE);// 使能 TIM6 时钟
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr; // 自动重装载值
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc; // 定时器预分频值
TIM_TimeBaseInit(TIM6,&TIM_TimeBaseInitStructure); //TIM6 初始化
TIM_ClearITPendingBit(TIM6, TIM_IT_Update); // 清除更新中断请求位
TIM_ITConfig(TIM6,TIM_IT_Update,ENABLE); // 允许定时器 6 更新中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM6_DAC_IRQn;// 定时器 6 中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x01;// 抢占优先级 1
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x03;// 子优先级 3
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
TIM_Cmd(TIM6,DISABLE); // 暂时不使能定时器 6
}
/**
* @brief TIM6 定时器中断服务函数
* @param None
* @retval None
*/
void TIM6_DAC_IRQHandler(void)
{
if(TIM_GetITStatus(TIM6,TIM_IT_Update) == SET) // 若发生更新中断
{
Cal_Motor_Speed(TIM3);
}
TIM_ClearITPendingBit(TIM6,TIM_IT_Update); // 清除更新中断标志位
}

TIM6 用作限定采样的时间间隔。为了确保每次采样时间的准确性，TIM6 配置完毕后暂时不
使能。特别注意：上述代码段的第 21 行与第 22 行代码的先后顺序不能错，第 30 行代码暂时不
使能 TIM6。
上述代码段的第42 行代码用于调用计数值处理与速度换算函数，本行代码每隔 1s 执行一次。
6．编写 main()函数
在“main.c”文件中输入以下代码：

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "led.h"
#include "key.h"
#include "exti.h"
#include "timer1.h"
#include "timer3.h"
#include "timer6.h"
#include "motor.h"
static void Key_Process(void);
uint8_t keyValue = 0;
int16_t initSpeed = 40, newSpeed = 40;
MOTOR_StateTypeDef Motor_State = MOTOR_STOP;
int main(void)
{
delay_init(168); // 延时函数初始化
LED_Init(); //LED 端口初始化
Key_Init(); // 按键初始化
EXTIx_Init();  // 外部中断初始化
USART1_Init(115200);  // 串口 1 初始化
TIM6_Int_Init(10000-1,8400-1); // 定时器 6 定时中断 (1s) 初始化
TIM1_GPIO_Config(); // 定时器 1 输出通道 GPIO 初始化
TIM1_PWM_Init(100-1,12-1); // 定时器 1PWM 输出功能初始化
TIM3_GPIO_Config();
TIM3_Encoder_Init(65536-1,0);
printf("System Started!\r\n");
while(1)
{
Key_Process();
LED1 = ~LED1;
delay_ms(50);
}
}
/**
* @brief 按键处理流程
* @param None
* @retval None
*/
static void Key_Process(void)
{
/* Key1_ 上键按下，电机正转，小车前进 */
if(keyValue == KEY_U_PRESS)
{
if(Motor_State == MOTOR_STOP)
{
Car_Forward(initSpeed); // 电机正转，小车前进
Motor_State = MOTOR_FORWARD;
TIM_Clear_Counter(TIM3); // 清 lastCount 与 TIM3 的 Counter
TIM_Cmd(TIM6,ENABLE); // 开启定时器 6
}
else if(Motor_State == MOTOR_FORWARD ||
Motor_State == MOTOR_BACKUP)
{
Car_Stop();
newSpeed = 40;
Motor_State = MOTOR_STOP;
TIM_Cmd(TIM6,DISABLE);  // 关闭定时器 6
TIM_SetCounter(TIM6, 0); // 清除定时器 6 计数值
}
keyValue = 0;
}
/* Key2_ 下键按下，电机反转，小车后退 */
if(keyValue == KEY_D_PRESS)
{
if(Motor_State == MOTOR_STOP)
{
Car_Backup(initSpeed);  // 电机反转，小车后退
Motor_State = MOTOR_BACKUP;
TIM_Clear_Counter(TIM3); // 清 lastCount 与 TIM3 的 Counter
TIM_Cmd(TIM6,ENABLE); // 开启定时器 6
}
else if(Motor_State == MOTOR_FORWARD || \
Motor_State == MOTOR_BACKUP)
{
Car_Stop();
newSpeed = 40;
Motor_State = MOTOR_STOP;
TIM_Cmd(TIM6,DISABLE);  // 关闭定时器 6
TIM_SetCounter(TIM6, 0); // 清除定时器 6 计数值
}
keyValue = 0;
}
/* Key3_ 左键按下，减小占空比 */
if(keyValue == KEY_L_PRESS)
{
if(Motor_State == MOTOR_FORWARD)
{
newSpeed -= 5;
if(newSpeed < 0) newSpeed = 0;
Car_Forward(newSpeed);
}
else if(Motor_State == MOTOR_BACKUP)
{
newSpeed -= 5;
if(newSpeed < 0) newSpeed = 0;
Car_Backup(newSpeed);
}
keyValue = 0;
}
/* Key4_ 右键按下，增加占空比 */
if(keyValue == KEY_R_PRESS)
{
if(Motor_State == MOTOR_FORWARD)
{
newSpeed += 5;
if(newSpeed >= 100) newSpeed = 100;
Car_Forward(newSpeed);
}
else if(Motor_State == MOTOR_BACKUP)
{
newSpeed += 5;
if(newSpeed >= 100) newSpeed = 100;
Car_Backup(newSpeed);
}
keyValue = 0;
}
}

编写 Key_Process()函数时，应特别注意“电机启动”与“电机停止”的程序流程，即上述
代码段的第 52~55 行、第 60~64 行、第 73~76 行和第 81~85 行。
7．观察试验现象
应用程序编译无误后，下载至开发板运行，打开上位机的串口调试助手，可观察到图 3-4-8
所示的电机转速显示试验现象。

图 3-4-8（a）显示了电机正转时的转速，图 3-4-8（b）显示了电机反转时的转速。