输出比较与输入捕获

引言

定时器的基本计数功能提供时间基准，输出比较和输入捕获负责与外部信号交互：输出比较产生信号，输入捕获测量信号。PWM、频率计、超声波测距等应用都建立在这两个功能之上。

一、核心概念：CNT 与 CCR

理解输出比较和输入捕获，关键在于两个寄存器的关系：

寄存器	含义	在 IC 中	在 OC 中
CNT	计数器	计时基准	计时基准
CCR	捕获/比较寄存器	保存 CNT 的当前值	与 CNT 比较，匹配时触发动作

两者的区别在触发方向：输入捕获在外部信号边沿到来时，把 CNT 的当前值存入 CCR；输出比较在 CNT 计数值与 CCR 相等时，触发预先配置的动作。

二、输入捕获（Input Capture）

2.1 工作原理

                    ┌─────── 捕获上升沿 ───────┐
                    │                          │
     外部信号:  ────┘                          └───────
                    │                          │
     CNT值:    ... 100 ... 200 ... 300 ... 400 ... 500 ...
                    ↑                          ↑
                  CCR=100                    CCR=500

     脉冲宽度 = 500 - 100 = 400 个计数周期

工作流程：

配置通道为输入捕获模式，选择触发边沿（上升沿 / 下降沿 / 双边沿）
当指定边沿到来时，硬件自动把当前 CNT 的值复制到 CCR
连续捕获两次，两次 CCR 的差值就是两个边沿之间的时间
配合计数频率换算出实际时间：时间 = 差值 × 计数周期

这相当于用一个持续运行的计时器，在两个事件发生的时刻各记录一次读数，再相减。

2.2 测量频率

频率测量常用两次上升沿捕获法：

f_signal = f_cnt / (CCR2 - CCR1)

其中 f_cnt 是 CNT 的计数频率 = TIM_CLK / (PSC + 1)

2.3 典型应用

应用	说明
频率计	测量外部信号的频率
占空比测量	同时测量 PWM 信号的高电平与周期
红外遥控解码	测量编码脉冲的宽度
超声波测距	测量 Echo 引脚高电平持续时间
编码器测速	通过捕获正交编码器脉冲测量转速

2.4 HAL 配置示例

TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC = {0};

sConfigIC.ICPolarity  = TIM_ICPOLARITY_RISING;   // 上升沿捕获
sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; // 直接映射到 TIx
sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;           // 不分频
sConfigIC.ICFilter    = 0x0;                      // 数字滤波
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1);

// 启动输入捕获中断
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);

三、输出比较（Output Compare）

3.1 工作原理

CNT:  0 ──→ 30 ──→ 60 ──→ 90 ──→ ARR ──→ 0 ──→ ...
              ↑
           CNT == CCR (假设CCR=30)
              │
         ┌────┴────┐
         │ 触发动作 │ → 翻转/置高/置低/中断
         └─────────┘

CNT 与 CCR 的比较在硬件上就是一个数字比较器：两者相等时输出匹配信号，触发预先配置的动作。

3.2 八种输出比较模式

模式	匹配时行为	典型用途
冻结 (Frozen)	输出保持不变	暂停 PWM 输出
匹配时置有效电平	输出置高	单次脉冲
匹配时置无效电平	输出置低	单次脉冲
匹配时翻转 (Toggle)	电平取反	生成 50% 占空比方波
强制无效电平	强制输出低	强制停机
强制有效电平	强制输出高	强制输出
PWM 模式 1	CNT < CCR 高, CNT ≥ CCR 低	最常用的 PWM 输出
PWM 模式 2	CNT < CCR 低, CNT ≥ CCR 高	PWM 模式 1 的反相版本

3.3 典型应用

应用	说明
LED 调光	改变 PWM 占空比控制亮度
电机调速	PWM 控制直流电机转速
舵机控制	用特定脉宽控制角度
生成参考方波	Toggle 模式生成 50% 占空比方波
外设同步信号	匹配时触发 ADC 采样 / DMA 传输

四、输入捕获与输出比较对比

维度	输入捕获 (IC)	输出比较 (OC)
数据流向	外部 → MCU（测量外部信号）	MCU → 外部（产生信号）
CNT 与 CCR 的关系	边沿到来时，CNT → CCR	CNT == CCR 时触发动作
引脚方向	输入	输出（复用推挽）
核心用途	测频率、周期、脉宽、占空比	输出 PWM、方波、脉冲
中断事件	捕获中断	比较匹配中断
共用资源	同一通道同一时刻只能配置为 IC 或 OC

五、常见问题与排查

CNT 溢出处理（输入捕获）

当被测信号周期很长时，CNT 会在两次捕获之间溢出，需要统计溢出次数：

实际时间 = 溢出次数 × (ARR + 1) + 最后一次 CCR 值

溢出计数在更新中断中累加。

PWM 输出无波形

常见原因：

GPIO 未配置为复用推挽输出
未调用 HAL_TIM_PWM_Start() 启动输出
高级定时器（TIM1/TIM8）未使能主输出，需设置 MOE 位
时钟未使能

总结

输出比较和输入捕获是定时器使用最广的两个功能：输入捕获测量外部信号，输出比较产生外部信号。两者都围绕 CNT 与 CCR 的关系工作——捕获是在边沿到来时把 CNT 写入 CCR，比较是在 CNT 等于 CCR 时触发动作。定时器约 80% 的应用场景都建立在这两种关系之上。

输出比较最常见的应用形态是 PWM。

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