第8课-FTM的PWM输入捕获正交解码

1、跟我学OSKinetis第8课-FTM的PWM、输入捕获、正交解码Posted on2013 年 11 月 18 日bylpldcnFTM是一个神奇的模块，他能输出PWM，能输入捕获，能输出比较还能正交解码。英文全称是FlexTimer Module，你可以理解为高级定时器模块、易用定时器模块等等。不仅仅在Kinetis 32位处理器中，FTM是个常用的模块，在飞思卡尔的8位处理器中，他也是个常用的模块，只不过名字叫TPM。FTM会用了，飞思卡尔的其他单片机的FTM、TPM你就都会用了。在OSKinetis固件库中，我们可以用FTM模块来实现PWM、输入捕获和正交解码等常用功能，借用库函数实现

2、功能不难，难的是理解这些功能怎么用、什么原理才是最重要的，下面我们一一介绍这3个功能。当然看完本文你就能用寄存器编写FTM的各个功能吗，呵呵，不可能的！否则要那1000多页的技术文档干什么用，但是我希望本文能起到抛砖引玉的功能，在你会用库函数的基础上，对他的内部机制有一个了解。 介绍几个小伙伴（FTM寄存器）要想搞清楚FTM模块，首先我们要介绍几个重要的寄存器给大家，他们就像小伙伴一样，好好利用可以帮大忙呢。 FTMx_CNT小朋友（计数器寄存器），他负责喊号（计数）。 FTMx_SC小朋友（状态和控制寄存器），他负责寄存器名字面意思，具体说就是决定CNT小朋友的喊号的快慢（计数频率，包括时钟

3、源的选择和分频系数）。他还负责其他一些杂事，比如计数溢出、中断使能等等。 FTMx_MOD小朋友（模数寄存器），他负责记住一个数字，当CNT小朋友喊道这个数字的时候，他就提醒相关人员干一些事情，比如产生溢出中断标志，比如让CNT重新开始喊号。 FTMx_CNTIN小朋友（计数器初始值寄存器），他告诉CNT小朋友哪哪个数开始喊。 其中x代表不同的FTM模块的标号，比如MK60D系列单片机，有3个FTM模块，x就为02。PWM输出功能PWM工作原理PWM是什么，能做什么用，不是我们要讲的，相信你也能百度到。这里我们主要讲PWM在Kinetis的FTM模块中是怎么工作的。还记得上面介绍的几个小朋友吗

4、，他们只要一起干活，我们的PWM波就可以生成了，下面我来说说他们是怎么干活的。哦对了，说到PWM还有一个小朋友要介绍，就是FTMx_CnV（通道值寄存器）小朋友。其中n代表FTMx有n个这样的小朋友，对于FTM0模块来说，有8个。他们8个人负责PWM的脉宽（即占空比），他们每个人也会记住一个数字，当CNT喊道这个数字的时候，他就让PWM的输出产生上升或下降沿。PWM最重要参数就是频率（周期的倒数）和占空比，下面的两个公式解释了他们是怎么确定的：PWM的周期=(MODCNTIN +1)x计数器周期PWM的占空比=(CnV CNTIN)/ PWM的周期怎么样，上面的公式结果都是由我们认识的小朋友决

5、定的吧。下面我来解说下这个工作流程，首先公式中的计数器周期是SC小朋友决定的，前面说了他负责喊号的快慢，因为他负责决定采用哪个频率为输入频率，这些频率候选有系统时钟、固定频率时钟以及外部时钟，他还负责这些输入频率的分频系数，总之SC小朋友决定了计数器周期，也就是CNT小朋友喊号的快慢。然后CNT小朋友从CNTIN小朋友那里知道了要喊的第一个数，他按照SC决定的快慢一直喊道MOD告诉他的数，喊完这些数，一个PWM周期也就产生了！那么PWM的脉宽是怎么决定的呢，首先假定CNT在喊第一个数的时候，PWM通道输出高电平，当CNT喊到CnV小朋友告诉他的号的时候，PWM输出通道就会变为低电平，直到CNT

6、继续喊道MOD的时候一个PWM周期结束，当重新开始喊CNTIN的号的时候，PWM的输出通道又变为了高电平，这样持续下去，就产生了PWM波形！你以为一个FTMx模块只能输出一路PWM就错了，我们刚才说了CnV根据x的不同，有n个通道可以输出PWM，如果是x=0，那么FTM0就有8个CnV，C0V到C7V这8个小朋友，因此FTM0可以输出8路不同占空比的PWM，但是由于负责喊号的CNT以及他的其他小伙伴在FTM0中仅仅各有1人，因此FTM0只能输出一种频率的PWM。如果上面的描述让你和你的小伙伴都惊呆了，那么就看看上面这幅图，从技术文档中的Figure 39-181截出来的。红圈后面的波形就行PW

7、M输出通道输出的波形。深绿色的圈代表CNT从CNTIN开始计数，此时输出高电平。当计数到CnV的时候，浅绿色圈处，产生channel(n)match通道匹配事件，变为低电平。当整个计数周期完成，即蓝圈的范围，CNT计数到MOD时，一个波形输出完成。PWM例程讲解前面讲了FTM中的几个小伙伴的故事，目的是为了让大家了解PWM的工作流程，下面我们来具体看看例程中，是如何利用库函数来生成PWM的。首先看例程“LPLD_ServoControl”，这是一个控制舵机转动的例程，我们知道舵机的控制PWM频率一般是50Hz，其他的舵机有可能不同，因此我们的初始化函数初始化PWM频率为50,定位pwm_ini

8、t()函数，看其代码：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频率50Hz04 LPLD_FTM_Init(ftm_init_struct);05 LPLD_FTM_PWM_Enable(FTM0, /使用FTM006 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引脚

9、09 ALIGN_LEFT /脉宽左对齐10 ); Line 1：使能FTM0通道。Line 2：配置FTM_Mode成员变量，使用FTM的PWM输出功能。Line 3：配置PWM输出的频率为50Hz，你只要直接写频率的数值即可，至于刚才讲的CNTIN、MOD、SC寄存器的值，库函数会自动搞定。而且切记，每个FTMx只能产生一种频率，这个频率在初始化配置时就确定了，如果你想用第二种频率，就使能再初始化FTM1或FTM2了。Line 4：调用FTM通用初始化函数初始化该模块。Line 5：PWM通道输出使能函数，你光配置了FTM0的PWM输出功能还不够，还要决定用哪个PWM通道来输出波形哦！其中

10、FTM0有8个通道，这里使能通道0 FTM_Ch0，每个通道又可能有不同的物理输出引脚，这里用CH0的PTC1引脚来输出PWM，还要配置占空比，这里我们用了自定义函数angle_to_period()来将舵机的角度值转化为函数需要的占空比值。最后一个参数是PWM脉宽的对其方式，默认是左对齐。关于此函数的参数的具体范围，请参考FTM模块的在线函数手册（点击进入）。初始化完成后的代码如下所示：1 delay(1000);2 /初始化延时后改变角度为45度3 LPLD_FTM_PWM_ChangeDuty(FTM0, FTM_Ch0, angle_to_period(45);Line 1：在初始化完

11、毕后，首先应该延时一段时间，以保证舵机可以有足够的时间归位。Line 3：调用LPLD_FTM_PWM_ChangeDuty()函数来改变CH0通道的占空比，该函数和PWM通道使能函数的个别参数一样，使用时最好先参考在线函数手册。输入捕获功能IC工作原理IC就是Input Capture的英文缩写，即输入捕获。很多新手不仅疑惑FTM，还疑惑他怎么还有这么多功能，更疑惑这么多功能中输入捕获到底干什么用。首先FTM为什么除了能生成PWM，还有其他功能，这都是因为他有这么多给力的小伙伴（寄存器），上面介绍那些小朋友不仅能生成PWM，还能利用自身特长，摇身一变成输入捕获功能。那么输入捕获有什么用呢，输

12、入什么？捕获什么？他就像PWM的逆变一样，通过输入PWM方波，捕获上升沿或者下降沿，来计算出PWM的频率或者占空比。那么这几个小朋友是怎么工作，来实现输入捕获功能的呢，且听我一一道来。首先CnV小朋友不再负责记住一个数了，而是随时待命，随时准备记录下CNT小朋友喊的数字。当FTM的输入通道产生一个上升沿或者下降沿的时候，就会产生一个中断，这是CnV小朋友就会立刻记录下CNT小朋友喊的数字，我们只要知道两次中断之间CnV小朋友记录的计数的差，就可以间接计算出中断间隔时间了，从而可以计算出PWM方波的频率。当然CNT小朋友喊号的频率还是有SC小朋友决定的。假设我们知道CNT喊号的频率为fCNT,C

13、nV自从上次中断后记录的计数差为cv,配置捕获上升沿时产生中断，那么两次中断的时间差的倒数就是PWM方波的频率：输入PWM频率=fCNT/cv同样还是来看一下我从技术文档中截下来的图，原图初出自Figure 39-175。红框圈出来的是FTM的通道输入，这个通道在物理引脚上和PWM的输出通道是共用的，只不过随着功能的不同，输入输出都可以。橙色圈代表的是判断到底是上升沿还是下降沿来触发冲断。深色绿圈代表了CnV在这个事件来临的时候记录下CNT的数值，浅绿色是CNT计数器的值。蓝色圈代表我们即将产生的中断信号。IC例程讲解打开例程“LPLD_InputCapture”，在这里例程中，我们利用FTM

14、0生成一路PWM，用于测试他的频率，用FTM1配置为输入捕获模块，来采集PWM并计算他的频率。pwm_init()初始化函数的代码我们就不赘述了，相信大家都能看懂，直接看下输入捕获的初始化函数ic_init()的代码：1 ftm1_init_struct.FTM_Ftmx = FTM1; /使能FTM1通道2 ftm1_init_struct.FTM_Mode = FTM_MODE_IC; /使能输入捕获模式3 ftm1_init_struct.FTM_ClkDiv = FTM_CLK_DIV128; /计数器频率为总线时钟的128分频4 ftm1_init_struct.FTM_Isr =

15、ic_isr; /设置中断函数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为输入捕获模式。Line 3：设置计数器的分频系数为128,刚才我们讲过要计算PWM的频率，就要知道CNT计数器的频率，在OSKinetis固件库中，CNT的时钟源为总线时钟，如果这里设置为FTM_CLK_DIV128，那么CNT的频率就是总线频率/128。Line 4：设置FTM的中断函

16、数，用于处理捕获事件。Line 6：使能输入捕获的输入通道，和PWM的使能通道同理，这里要设置需要用到的通道号为FTM_Ch0，通道对应的物理引脚为PTB0，捕获边缘为上升沿CAPTURE_RI。关于此函数的参数的具体范围，请参考FTM模块的在线函数手册（点击进入）。Line 7：一定要记住使能中断。输入捕获初始化完毕后，FTM1就会在PTB0有输入PWM的时候产生中断了，接下来看一下其中断函数是怎么写的：01void ic_isr(void)0203 uint32 cnt;04 if(LPLD_FTM_IsCHnF(FTM1, FTM_Ch0)05 06 cnt=LPLD_FTM_GetCh

17、Val(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 11Line 4：首先调用LPLD_FTM_IsCHnF()函数判断是不是FTM1的Ch0通道产生的捕获事件，因为每个FTMx的所有通道中断都是公用一个中断函数的，所以为了安全，必须在中断中判断是哪个通道产生的中断。Line 6：获得Ch0通道的计数值，并存到临时变量cnt中。这个值就是C0V小朋友在事件来临的

18、一瞬间，从CNT那里记录下来的计数值。Line 7：用上将讲到的频率计算公式来计算出PWM的频率。这里LPLD_FTM_GetClkDiv()可以得到我们初始化时设置的计数器分频系数，g_bus_clock变量是总线频率的数值，用(g_bus_clock/LPLD_FTM_GetClkDiv(FTM1)就得到了计数器CNT的技术频率，在除以cnt计数值，得到的就是输入方波的频率。Line 8：用LPLD_FTM_ClearCounter()函数清空CNT小朋友的计数值，以便我们下次中断获取的值是从0开始的，方便计算。Line 9：用LPLD_FTM_ClearCHnF()函数清除Ch0通道的中

19、断标志。正交解码正交解码原理讲到正交解码，其实并没有什么神秘的，名字听起来挺高端大气上档次的，其实实现起来非常简单，我觉得反而是FTM模块中最简单的功能。首先要清楚正交解码是干嘛用的，举个栗子？霍尔编码器是常用的电机测速传感器，他不仅可以测速，还可以知道电机的正转还是反转，靠的就是他能输出两路正交信号，我们可以通过正交信号的相位差来识别出当前电机的转动方向。因此有了FTM模块，我们就可以将这两路正交信号PhA和PhB输入到FTM的正交输入通道，通过正交解码功能，直接读取脉冲的计数值，这个计数值是有符号的，正数代表正转，负数则代表反转。具体到FTM内部时怎样工作的，还要提到CNT小朋友，在正交解

20、码模式下，他不再按照SC给定的规则喊号了，而是根据两路PhA和PhB正交信号的状态来计数。你也可以理解为CNT小朋友是一个解码员，当然具体是增计数还是减计数，不是CNT说了算，FTM内部有一套复杂的机制决定。而且这个正交解码功能有两种解码方法可以选择，分别是计数和方向编码、相位A和相位B编码。他们的解码方法如下面两图所示：上图是计数和方向编码方法，红框后面的波形是FTM输入通道PhB的波形，它代表计数方向，篮框后面的波形是FTN输入通道PhA的波形，它代表计数个数，这是一种编码方法，当PhB为高电平时，CNT加计数，当PhB低电平时，CNT减计数，计数频率由PhA决定。从图中还可以看出，CNT

21、IN小朋友决定从什么数开始计数，MOD小朋友决定计数到什么时候产生溢出中断。上图是相位A和相位B编码方法，这个是我们常用的正交解码模式，也是霍尔编码传感器两路波形输出的方式。从图中可以看到，当PhA和PhB处于特定的电平和边沿时，他们的状态共同决定了CNT是增还是减。具体原则如下：CNT小朋友增计数时看到的是：A上升沿，B逻辑低B上升沿，A逻辑高B下降沿，A逻辑低A下降沿，B逻辑高CNT小朋友减计数时看到的是：A下降沿，B逻辑低B下降沿，A逻辑高B上升沿，A逻辑低A上升沿，B逻辑高正交解码例程讲解要测试正交解码例程，首先你要准备两路正交信号，可以用霍尔编码器的信号直接输入。打开例程“LPLD_

22、QuadratureDecoder”，看正交解码初始化函数qd_init()的代码：1 ftm_init_struct.FTM_Ftmx = FTM1; /只有FTM1和FTM2有正交解码功能2 ftm_init_struct.FTM_Mode = FTM_MODE_QD; /正交解码功能3 ftm_init_struct.FTM_QdMode = QD_MODE_PHAB; /AB相输入模式4 LPLD_FTM_Init(ftm_init_struct);5 LPLD_FTM_QD_Enable(FTM1, PTB0, PTB1);Line 2：配置FTM1为正交解码功能，这里需要注意的是，FTM中只有FTM1和FTM2具有正交解码输入通道，FTM0是没有的。Line 3：选择解码模式为AB相输入模式解码QD_MODE_PHAB。Line 5：使能FTM1的正交解码物理输入引脚，调用LPLD_FTM_QD_Enable()函数，第二个参数