开源ESP32彩屏WIFI/BLE智能万用表制作记录(3.频率占空比测量)

七云物联

上次制作无屏幕版本的万用表在测量交流信号时，没有频率和占空比测量功能，这次使用ESP32采集交流信号，计算频率和占空比。



频率为周期的倒数，占空比高电平时间T1与总周期时间T的比值，范围0%-100%

下面介绍3种实现方法，也是我逐一调试程序验证的过程。

1、先试一下用MCPWM捕获功能实现频率测量，参照官方例程配置比较简单

1. void M_pwm_cap_start()
   
2. {
   
3.     M_pwm_init();
   
4.     //7. Capture configuration
   
5.     //comment if you don't want to use capture submodule, also u can comment the capture gpio signals
   
6.     //configure CAP0, CAP1 and CAP2 signal to start capture counter on rising edge
   
7.     //we generate a gpio_test_signal of 20ms on GPIO 12 and connect it to one of the capture signal, the disp_captured_function displays the time between rising edge
   
8.     //In general practice you can connect Capture  to external signal, measure time between rising edge or falling edge and take action accordingly
   
9.     mcpwm_capture_enable(MCPWM_UNIT_0, MCPWM_SELECT_CAP0, MCPWM_POS_EDGE, 0);  //capture signal on rising edge, prescale = 0 i.e. 800,000,000 counts is equal to one second
   
10.     //enable interrupt, so each this a rising edge occurs interrupt is triggered
    
11.    
    
12.    //create queue
    
13.     cap_queue = xQueueCreate(1, sizeof(capture)); //comment if you don't want to use capture module
    
14.     MCPWM[MCPWM_UNIT_0]->int_ena.val = CAP0_INT_EN;  //Enable interrupt on  CAP0, CAP1 and CAP2 signal
    
15.     mcpwm_isr_register(MCPWM_UNIT_0, isr_handler, NULL, ESP_INTR_FLAG_IRAM, NULL);  //Set ISR Handler
    
16.     xTaskCreate(disp_captured_signal, "mcpwm_config", 4096, NULL, 5, NULL);  //comment if you don't want to use capture module
    
17. }

复制代码

1. static void IRAM_ATTR isr_handler()
   
2. {
   
3.     uint32_t mcpwm_intr_status;
   
4.     capture evt;
   
5.     mcpwm_intr_status = MCPWM[MCPWM_UNIT_0]->int_st.val; //Read interrupt status
   
6.     if (mcpwm_intr_status & CAP0_INT_EN) { //Check for interrupt on rising edge on CAP0 signal
   
7.         evt.capture_signal = mcpwm_capture_signal_get_value(MCPWM_UNIT_0, MCPWM_SELECT_CAP0); //get capture signal counter value
   
8.         evt.sel_cap_signal = MCPWM_SELECT_CAP0;
   
9.         xQueueSendFromISR(cap_queue, &evt, NULL);
   
10.     }
    
11. 
    
12.     MCPWM[MCPWM_UNIT_0]->int_clr.val = mcpwm_intr_status;
    
13. }

复制代码

1. static void disp_captured_signal(void *arg)
   
2. {
   
3.         int add=0;
   
4.     float frequency;
   
5.     uint32_t *current_cap_value = (uint32_t *)malloc(2*sizeof(uint32_t));
   
6.     uint32_t *previous_cap_value = (uint32_t *)malloc(2*sizeof(uint32_t));
   
7.     capture evt;
   
8.     while (1) {
   
9.         xQueueReceive(cap_queue, &evt, portMAX_DELAY);
   
10.         if (evt.sel_cap_signal == MCPWM_SELECT_CAP0) {
    
11.             current_cap_value[0] = evt.capture_signal - previous_cap_value[0];
    
12.             previous_cap_value[0] = evt.capture_signal;
    
13.             current_cap_value[0] = (current_cap_value[0] / 10000) * (10000000000 / rtc_clk_apb_freq_get());
    
14.             
    
15.                         if(++add>50)
    
16.                         {
    
17.                                 add=0;
    
18.                 frequency=1000000/current_cap_value[0];
    
19.                                 printf("CAP0 : %d us\n", current_cap_value[0]);//print high time
    
20.                                 printf("frequency : %.2f Hz\n", frequency);
    
21.                         }
    
22.         }
    
23. 
    
24.         vTaskDelay(10/portTICK_RATE_MS);
    
25.     }
    
26. }

复制代码

用信号发生器产生PWM信号，测试试一下测量频率



对于几百Hz以内测量还是很准确的，但是没找到测量占空比的方法，测试其他方法。

2、利用ESP32的pcnt脉冲计数器，先初始化

1. static void pcnt_example_init(void)
   
2. {
   
3.     /* Prepare configuration for the PCNT unit */
   
4.     pcnt_config_t pcnt_config = {
   
5.         // Set PCNT input signal and control GPIOs
   
6.         .pulse_gpio_num = PCNT_INPUT_SIG_IO,
   
7.         .ctrl_gpio_num = PCNT_INPUT_CTRL_IO,
   
8.         .channel = PCNT_CHANNEL_0,
   
9.         .unit = PCNT_TEST_UNIT,
   
10.         // What to do on the positive / negative edge of pulse input?
    
11.         .pos_mode = PCNT_COUNT_INC,   // Count up on the positive edge
    
12.         .neg_mode = PCNT_COUNT_DIS,   // Keep the counter value on the negative edge
    
13.         // What to do when control input is low or high?
    
14.         .lctrl_mode = PCNT_MODE_KEEP, // Reverse counting direction if low
    
15.         .hctrl_mode = PCNT_MODE_KEEP,    // Keep the primary counter mode if high
    
16.         // Set the maximum and minimum limit values to watch
    
17.         .counter_h_lim = PCNT_H_LIM_VAL,
    
18.         .counter_l_lim = PCNT_L_LIM_VAL,
    
19.     };
    
20.     /* Initialize PCNT unit */
    
21.     pcnt_unit_config(&pcnt_config);
    
22. 
    
23.     /* Configure and enable the input filter */
    
24.     pcnt_set_filter_value(PCNT_TEST_UNIT, 100);
    
25.     pcnt_filter_enable(PCNT_TEST_UNIT);
    
26. 
    
27.     /* Set threshold 0 and 1 values and enable events to watch */
    
28.     pcnt_set_event_value(PCNT_TEST_UNIT, PCNT_EVT_THRES_1, PCNT_THRESH1_VAL);
    
29.     pcnt_event_enable(PCNT_TEST_UNIT, PCNT_EVT_THRES_1);
    
30.     pcnt_set_event_value(PCNT_TEST_UNIT, PCNT_EVT_THRES_0, PCNT_THRESH0_VAL);
    
31.     pcnt_event_enable(PCNT_TEST_UNIT, PCNT_EVT_THRES_0);
    
32.     /* Enable events on zero, maximum and minimum limit values */
    
33.     pcnt_event_enable(PCNT_TEST_UNIT, PCNT_EVT_ZERO);
    
34.     pcnt_event_enable(PCNT_TEST_UNIT, PCNT_EVT_H_LIM);
    
35.     pcnt_event_enable(PCNT_TEST_UNIT, PCNT_EVT_L_LIM);
    
36. 
    
37.     /* Initialize PCNT's counter */
    
38.     pcnt_counter_pause(PCNT_TEST_UNIT);
    
39.     pcnt_counter_clear(PCNT_TEST_UNIT);
    
40. 
    
41.     /* Register ISR handler and enable interrupts for PCNT unit */
    
42.     pcnt_isr_register(pcnt_example_intr_handler, NULL, 0, &user_isr_handle);
    
43.     pcnt_intr_enable(PCNT_TEST_UNIT);
    
44. 
    
45.     /* Everything is set up, now go to counting */
    
46.     pcnt_counter_resume(PCNT_TEST_UNIT);
    
47. }

复制代码

然后用定时器，每秒钟获取一次计数值，这样就能算出信号频率，每秒钟的脉冲个数就是频率。

1. void test_timer_periodic_cb(void *arg) {
   
2.     int16_t count = 0;
   
3.     pcnt_get_counter_value(PCNT_TEST_UNIT, &count);
   
4.     printf("frequency :%d Hz\n ", count);
   
5.     pcnt_counter_clear(PCNT_TEST_UNIT);
   
6. }

复制代码

这个方法可以测量比较高的频率，下图是测量4513Hz频率信号，但是和第一种方法一样，测量不了占空比，继续测量其他方法。


3、利用ESP32外部中断引脚+定时器计数器，在上升沿中断时使能计数器，下降沿中断时获取高电平计数值n1，继续计数，直到又一个上升沿中断获取计数值n2，根据计数器的周期，可以得到计数1次的周期，从而得到高电平时间和整个周期的时间，然后就能算出占空比和频率了。


这种方式可以精确的测量出占空比和频率，但存在一个问题，当测量频率比较高时，要频繁的进入中断程序，大大降低了CPU的效率，继续改进。

4、由于我们不需要在每个信号周期都计算一次占空比和频率，所以可以再加入一个定时器，每隔1秒中断一次，在中断程序中开启外部中断，在开启外部中断测量了一次完整的信号后，关闭外部中断，这样测量速率就由这个定时器决定，不会频繁进入外部中断，经过几个小时的程序调试，最终完成占空比和频率的测量程序，下图是测量120Hz，20%的PWM信号。

lb0857

由于我们不需要在每个信号周期都计算一次占空比和频率，所以可以再加入一个定时器，每隔1秒中断一次，在中断程序中开启外部中断，在开启外部中断测量了一次完整的信号后，关闭外部中断，这样测量速率就由这个定时器决定，不会频繁进入外部中断，

频率高了  会不会响应不过来

lyping1987

ESP32玩到极致啊

七云物联

lb0857 发表于 2021-8-9 16:00
由于我们不需要在每个信号周期都计算一次占空比和频率，所以可以再加入一个定时器，每隔1秒中断一次，在中 ...

1秒开关一次外部中断，完全没问题

七云物联

lb0857 发表于 2021-8-9 16:00
由于我们不需要在每个信号周期都计算一次占空比和频率，所以可以再加入一个定时器，每隔1秒中断一次，在中 ...

外部中断太快确实会响应不过来，不过我用在万用表上足够了

kevin_me

七云物联 发表于 2021-8-9 18:23
外部中断太快确实会响应不过来，不过我用在万用表上足够了

楼主，你这方法测高频信号不合适，误差会比较大，不信你用信号发生器试试。
原因是高频信号周期非常短，中断响应加上CPU开销，你只测一个脉冲时间，而且CPU算倒数，有计算误差。

innovision

七云物联 发表于 2021-8-9 18:18
1秒开关一次外部中断，完全没问题

有没有试过用RMT模块看看