【方法】STM32F103C8单片机通过定时器DMA测量脉冲宽度，无需CPU干预（以DHT11传感器为例）
2024-04-12 07:40:51
STM32F1系列的定时器中有DMA Burst Feature，配合参考手册上所讲的PWM输入模式，可以全自动地测量一组脉冲的宽度，期间CPU可做其他的事情。
DHT11传感器是单总线器件，主机端发出一个开始信号后，该器件会反馈给主机42个由高电平+低电平组成的脉冲。主机通过分析这些脉冲的时间宽度解码出器件发来的数据。
类似的器件还有红外遥控接收头，脉冲的个数也是固定的，只不过不需要发送起始信号，数据是随时都可能收到。
本例以DHT11传感器为例，DHT11的VCC接3.3V，数据线外接10kΩ的上拉电阻后接到单片机的PA1口上，对应的通道是定时器2的通道2。
板子完全是笔者自己焊的，接了一个8MHz的HSE晶振，谐振电容为20pF。程序的下载方式为USART1串口下载（通过右下角的开关切换BOOT0=1，PB2接10kΩ下拉电阻到GND），使用的下载软件是STMFlashLoader Demonstrator。BOOT0接10kΩ下拉电阻到GND，再接一个开关直接到VCC。开关闭合后按复位键可进入程序下载模式，开关断开时按复位键运行程序。
左下角的按键为复位按键，复位引脚NRST无需接上拉电阻，直接接一个0.1μF的电容到GND就行了，复位按键并联在电容器两端。最上面那个黑色的3脚器件是5V转3.3V的AMS1117电压转换器。
板子高清图：
程序下载软件：
【寄存器版程序】
#include <stdio.h>
#include <stm32f10x.h>uint16_t data[84]; // DHT11需要传输84个数据, 即测量42个脉冲#define DHT11_W0 (GPIOA->BRR = GPIO_BRR_BR1)
#define DHT11_W1 (GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BS1)
//#define DHT11_R ((GPIOA->IDR & GPIO_IDR_IDR1) != 0) // 配置为开漏输出时可直接读取IDR寄存器, 无需切换为输入模式// 延时n毫秒(0<n<6553)
void delay(uint16_t nms)
{TIM2->ARR = 10 * nms - 1;TIM2->PSC = 7199; // 72MHz/7200=10kHz -> 100usTIM2->CR1 = TIM_CR1_OPM | TIM_CR1_URS; // OPM=1: 自动关闭定时器, URS=1: UG=1时保持UIF=0TIM2->EGR = TIM_EGR_UG;TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;while ((TIM2->SR & TIM_SR_UIF) == 0);TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;
}// 工程属性里的Use MicroLIB必须打勾
int fputc(int ch, FILE *fp)
{if (fp == stdout){if (ch == '\n'){while ((USART1->SR & USART_SR_TXE) == 0);USART1->DR = '\r';}while ((USART1->SR & USART_SR_TXE) == 0);USART1->DR = ch;}return ch;
}void display(void)
{uint8_t i;uint8_t n = sizeof(data) / sizeof(uint16_t) - DMA1_Channel7->CNDTR; // 总个数减去DMA未传输的个数 = 成功测量的电平个数for (i = 0; i < n; i++){printf("[ID%02d] ", i);if (i % 2 == 0)printf("High: %dus\n", data[i]); // 高电平的宽度 = CCR1elseprintf("Low: %dus\n", data[i] - data[i - 1]); // 低电平的宽度 = CCR2 - CCR1}
}void measure(void)
{// 起始信号: 先拉低总线18ms, 然后释放总线DHT11_W0;delay(18);DHT11_W1;// 释放总线后可通过IDR寄存器直接读取总线上的电平(判断是否被器件拉低), 无需改变CRL中的配置DMA1_Channel7->CMAR = (uint32_t)data;DMA1_Channel7->CPAR = (uint32_t)&TIM2->DMAR;DMA1_Channel7->CNDTR = sizeof(data) / sizeof(uint16_t);DMA1_Channel7->CCR = DMA_CCR7_MSIZE_0 | DMA_CCR7_PSIZE_0 | DMA_CCR7_MINC | DMA_CCR7_EN; // 16位传输模式TIM2->ARR = 199; // 超时时间(高电平+低电平)定义为200usTIM2->PSC = 71; // 72MHz/72=1MHz -> 1usTIM2->CR1 = TIM_CR1_URS; // OPM必须为0, 否则只能测量一个脉冲TIM2->EGR = TIM_EGR_UG;// 因为总线最终会回到高电平, 所以最后一次采集肯定是通道2TIM2->CCMR1 = TIM_CCMR1_CC1S_1 | TIM_CCMR1_CC2S_0; // 通道1~2都连接到TIM2_CH2(PA1)引脚上TIM2->SMCR = TIM_SMCR_TS_2 | TIM_SMCR_TS_1 | TIM_SMCR_SMS_2; // 通道2上的事件使定时器清零TIM2->CCER = TIM_CCER_CC1E | TIM_CCER_CC1P | TIM_CCER_CC2E; // 通道1负责下降沿, 通道2负责上升沿TIM2->DCR = TIM_DCR_DBL_0 | (((uint8_t *)&TIM2->CCR1 - (uint8_t *)TIM2) >> 2); // 每次传输CCR1和CCR2两个寄存器的内容TIM2->DIER = TIM_DIER_CC2DE; // 打开输入捕获通道2的DMA请求TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 打开定时器, 开始测量while ((TIM2->SR & TIM_SR_UIF) == 0 && (DMA1->ISR & DMA_ISR_TCIF7) == 0); // 这期间CPU可以做其他事情TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_CEN; // 关闭定时器DMA1_Channel7->CCR &= ~DMA_CCR7_EN; // 关闭DMAif (DMA1->ISR & DMA_ISR_TCIF7)DMA1->IFCR = DMA_IFCR_CTCIF7; // 成功else{// 失败: 若脉冲长度超过允许值(TIM2->ARR), 则会导致定时器溢出, 此时给出错误信息TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;printf("Timeout!!! Remaining: %d bytes\n", DMA1_Channel7->CNDTR);}display(); // 显示实际测量的数据// 完毕后恢复寄存器设置TIM2->SMCR = 0;TIM2->CCER = 0;TIM2->DIER = 0;
}int main(void)
{RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_DMA1EN;RCC->APB1ENR = RCC_APB1ENR_TIM2EN;RCC->APB2ENR = RCC_APB2ENR_IOPAEN | RCC_APB2ENR_USART1EN;DHT11_W1; // 防止配置为输出模式后总线被拉低GPIOA->CRL = 0x44444464; // PA1接DHT11引脚, 设为开漏输出, 必须外接10K上拉电阻GPIOA->CRH = 0x444444b4; // PA9为USART1发送引脚, 设为复用推挽输出// 串口波特率设为110592USART1->BRR = 625;USART1->CR1 = USART_CR1_UE | USART_CR1_TE;while (1){printf("-------------------------------------------------\n");measure();delay(5000);}
}【程序运行结果】
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[ID00] High: 10us
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[ID83] Low: 56us由程序运行结果可知，主机发出起始信号后，隔了10μs后，DHT将总线拉低83μs，再释放86μs作为应答信号。最后连续发送40位数据，并以56μs的低电平结束，释放总线。
位数据0格式：50μs低电平 + 26~28μs高电平
位数据1格式：50μs低电平 + 70μs高电平
display函数中采用向下舍入的方式计算时间。若CNT=0，则认为是0μs；若CNT=10，则认为是10μs（实际持续的时间应该是10~11μs之间）。
【库函数版程序】
#include <stdio.h>
#include <stm32f10x.h>uint16_t data[84]; // DHT11需要传输84个数据, 即测量42个脉冲// 延时n毫秒(0<n<6553)
void delay(uint16_t nms)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef tim;TIM_SelectOnePulseMode(TIM2, TIM_OPMode_Single); // 自动关闭定时器TIM_UpdateRequestConfig(TIM2, TIM_UpdateSource_Regular); // UG=1时保持UIF=0TIM_TimeBaseStructInit(&tim);tim.TIM_Period = 10 * nms - 1;tim.TIM_Prescaler = 7199; // 72MHz/7200=10kHz -> 100usTIM_TimeBaseInit(TIM2, &tim);TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);while (TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_FLAG_Update) == RESET);TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
}// 工程属性里的Use MicroLIB必须打勾
int fputc(int ch, FILE *fp)
{if (fp == stdout){if (ch == '\n'){while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);USART_SendData(USART1, '\r');}while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);USART_SendData(USART1, ch);}return ch;
}void display(void)
{uint8_t i;uint8_t n = sizeof(data) / sizeof(uint16_t) - DMA_GetCurrDataCounter(DMA1_Channel7); // 总个数减去DMA未传输的个数 = 成功测量的电平个数for (i = 0; i < n; i++){printf("[ID%02d] ", i);if (i % 2 == 0)printf("High: %dus\n", data[i]); // 高电平的宽度 = CCR1elseprintf("Low: %dus\n", data[i] - data[i - 1]); // 低电平的宽度 = CCR2 - CCR1}
}void measure(void)
{DMA_InitTypeDef dma;TIM_ICInitTypeDef tim_ic;TIM_TimeBaseInitTypeDef tim;// 起始信号: 先拉低总线18ms, 然后释放总线GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, Bit_RESET);delay(18);GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, Bit_SET);// 释放总线后可通过IDR寄存器直接读取总线上的电平(判断是否被器件拉低), 无需改变CRL中的配置dma.DMA_BufferSize = sizeof(data) / sizeof(uint16_t); // 要测量的脉冲个数dma.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;dma.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;dma.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)data;dma.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; // CCR寄存器为16位寄存器dma.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;dma.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;dma.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&TIM2->DMAR; // 使用定时器DMA Burst Featuredma.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;dma.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;dma.DMA_Priority = DMA_Priority_Low;DMA_Init(DMA1_Channel7, &dma);DMA_Cmd(DMA1_Channel7, ENABLE);TIM_SelectOnePulseMode(TIM2, TIM_OPMode_Repetitive); // 不自动关闭定时器, 否则只能测出第一个脉冲的宽度TIM_TimeBaseStructInit(&tim);tim.TIM_Period = 199; // 定义超时时间: 每组高电平+低电平持续的时间总和不得超过200us, 否则认为采集失败tim.TIM_Prescaler = 71; // 72MHz/72=1MHz -> 1us, 以微秒为单位TIM_TimeBaseInit(TIM2, &tim);// 因为总线最终会回到高电平, 所以最后一次采集肯定是通道2tim_ic.TIM_Channel = TIM_Channel_2;tim_ic.TIM_ICFilter = 0;tim_ic.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; // 通道1负责下降沿, 通道2负责上升沿tim_ic.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;tim_ic.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; // 通道1~2都连接到TIM2_CH2(PA1)引脚上TIM_PWMIConfig(TIM2, &tim_ic);// 通道2上的事件使定时器清零TIM_SelectInputTrigger(TIM2, TIM_TS_TI2FP2);TIM_SelectSlaveMode(TIM2, TIM_SlaveMode_Reset);// 每次触发通道2输出比较时产生两个16位的DMA请求, 分别传输CCR1和CCR2寄存器的内容TIM_DMAConfig(TIM2, TIM_DMABase_CCR1, TIM_DMABurstLength_2Transfers);TIM_DMACmd(TIM2, TIM_DMA_CC2, ENABLE);// 开始测量TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); // 打开定时器while (TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_FLAG_Update) == RESET && DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC7) == RESET); // 这期间CPU可以做其他事情TIM_Cmd(TIM2, DISABLE); // 关闭定时器DMA_Cmd(DMA1_Channel7, DISABLE); // 关闭DMAif (DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC7) == SET)DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC7); // 成功else{// 失败: 若脉冲长度超过允许值(TIM2->ARR), 则会导致定时器溢出, 此时给出错误信息TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);printf("Timeout!!! Remaining: %d bytes\n", DMA_GetCurrDataCounter(DMA1_Channel7));}display(); // 显示实际测量的数据// 完毕后恢复定时器设置TIM_InternalClockConfig(TIM2); // 关闭定时器的Slave模式TIM_CCxCmd(TIM2, TIM_Channel_1, TIM_CCx_Disable); // 关闭输入捕获模式TIM_CCxCmd(TIM2, TIM_Channel_2, TIM_CCx_Disable);TIM_DMACmd(TIM2, TIM_DMA_CC2, DISABLE); // 关闭DMA请求
}int main(void)
{GPIO_InitTypeDef gpio;USART_InitTypeDef usart;RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);// PA1接DHT11引脚, 设为开漏输出, 必须外接10K上拉电阻// 可直接读取端口电平, 无需切换为输入模式GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, Bit_SET); // 防止配置为输出模式后总线被拉低gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;GPIO_Init(GPIOA, &gpio);// PA9为USART1发送引脚, 设为复用推挽输出gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &gpio);USART_StructInit(&usart);usart.USART_BaudRate = 115200;usart.USART_Mode = USART_Mode_Tx;USART_Init(USART1, &usart);USART_Cmd(USART1, ENABLE);while (1){printf("-------------------------------------------------\n");measure();delay(5000);}
}【程序运行结果】
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[ID79] Low: 54us
[ID80] High: 23us
[ID81] Low: 54us
[ID82] High: 21us
[ID83] Low: 56us使用库函数后，第一个测量数据出现了很明显的误差。这显然是因为在配置DMA和定时器输入捕获的时候浪费了很多时间。
在dma.DMA_BufferSize语句前打开定时器4，TIM_DMACmd语句后读取定时器4的CNT值，上述两步直接通过操作寄存器完成。定时器4的分频系数配置为0，测量出来的时间值为CNT=783。因此，库函数总共浪费的时间为784÷72≈10.9μs。
【根据测量的结果显示湿度和温度数据】
注意：DHT11测量结果的小数部分始终为0，所以本程序只显示整数结果。
#include <stdio.h>
#include <stm32f10x.h>// 延时n毫秒(0<n<6553)
void delay(uint16_t nms)
{TIM_TimeBaseInitTypeDef tim;TIM_SelectOnePulseMode(TIM2, TIM_OPMode_Single); // 自动关闭定时器TIM_UpdateRequestConfig(TIM2, TIM_UpdateSource_Regular); // UG=1时保持UIF=0TIM_TimeBaseStructInit(&tim);tim.TIM_Period = 10 * nms - 1;tim.TIM_Prescaler = 7199; // 72MHz/7200=10kHz -> 100usTIM_TimeBaseInit(TIM2, &tim);TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);while (TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_FLAG_Update) == RESET);TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
}// 工程属性里的Use MicroLIB必须打勾
int fputc(int ch, FILE *fp)
{if (fp == stdout){if (ch == '\n'){while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);USART_SendData(USART1, '\r');}while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);USART_SendData(USART1, ch);}return ch;
}void measure(void)
{uint8_t data[5] = {0};uint8_t i, j;uint16_t timing[84]; // DHT11需要传输84个数据, 即测量42个脉冲DMA_InitTypeDef dma;TIM_ICInitTypeDef tim_ic;TIM_TimeBaseInitTypeDef tim;// 起始信号: 先拉低总线18ms, 然后释放总线GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, Bit_RESET);delay(18);GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, Bit_SET);// 释放总线后可通过IDR寄存器直接读取总线上的电平(判断是否被器件拉低), 无需改变CRL中的配置dma.DMA_BufferSize = sizeof(timing) / sizeof(uint16_t); // 要测量的脉冲个数dma.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;dma.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;dma.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)timing;dma.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord; // CCR寄存器为16位寄存器dma.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;dma.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;dma.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&TIM2->DMAR; // 使用定时器DMA Burst Featuredma.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;dma.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;dma.DMA_Priority = DMA_Priority_Low;DMA_Init(DMA1_Channel7, &dma);DMA_Cmd(DMA1_Channel7, ENABLE);TIM_SelectOnePulseMode(TIM2, TIM_OPMode_Repetitive); // 不自动关闭定时器, 否则只能测出第一个脉冲的宽度TIM_TimeBaseStructInit(&tim);tim.TIM_Period = 199; // 定义超时时间: 每组高电平+低电平持续的时间总和不得超过200us, 否则认为采集失败tim.TIM_Prescaler = 71; // 72MHz/72=1MHz -> 1us, 以微秒为单位TIM_TimeBaseInit(TIM2, &tim);// 因为总线最终会回到高电平, 所以最后一次采集肯定是通道2tim_ic.TIM_Channel = TIM_Channel_2;tim_ic.TIM_ICFilter = 0;tim_ic.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; // 通道1负责下降沿, 通道2负责上升沿tim_ic.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;tim_ic.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; // 通道1~2都连接到TIM2_CH2(PA1)引脚上TIM_PWMIConfig(TIM2, &tim_ic);// 通道2上的事件使定时器清零TIM_SelectInputTrigger(TIM2, TIM_TS_TI2FP2);TIM_SelectSlaveMode(TIM2, TIM_SlaveMode_Reset);// 每次触发通道2输出比较时产生两个16位的DMA请求, 分别传输CCR1和CCR2寄存器的内容TIM_DMAConfig(TIM2, TIM_DMABase_CCR1, TIM_DMABurstLength_2Transfers);TIM_DMACmd(TIM2, TIM_DMA_CC2, ENABLE);// 开始测量TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); // 打开定时器while (TIM_GetFlagStatus(TIM2, TIM_FLAG_Update) == RESET && DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC7) == RESET); // 这期间CPU可以做其他事情TIM_Cmd(TIM2, DISABLE); // 关闭定时器DMA_Cmd(DMA1_Channel7, DISABLE); // 关闭DMAif (DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC7) == SET){// 成功DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC7);if (timing[1] - timing[0] >= 70 && timing[1] - timing[0] <= 90 && timing[2] >= 70 && timing[2] <= 90) // 判断应答信号是否正确{// 分析收到的40位数据for (i = 0; i < 40; i++){j = 2 * i + 3;if (timing[j] - timing[j - 1] < 40 || timing[j] - timing[j - 1] > 60)break;data[i >> 3] <<= 1;if (timing[j + 1] > 40)data[i >> 3] |= 1;}if (i == 40){if (((data[0] + data[1] + data[2] + data[3]) & 0xff) == data[4]) // 数据校验printf("H:%d%% T:%d\n", data[0], data[2]); // 显示湿度和温度, 忽略小数部分elseprintf("Error!\n"); // 数据校验错误}}}elseTIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update); // 失败: 若脉冲长度超过允许值(TIM2->ARR), 则会导致定时器溢出, 此时给出错误信息// 完毕后恢复定时器设置TIM_InternalClockConfig(TIM2); // 关闭定时器的Slave模式TIM_CCxCmd(TIM2, TIM_Channel_1, TIM_CCx_Disable); // 关闭输入捕获模式TIM_CCxCmd(TIM2, TIM_Channel_2, TIM_CCx_Disable);TIM_DMACmd(TIM2, TIM_DMA_CC2, DISABLE); // 关闭DMA请求
}int main(void)
{GPIO_InitTypeDef gpio;USART_InitTypeDef usart;RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE);// PA1接DHT11引脚, 设为开漏输出, 必须外接10K上拉电阻// 可直接读取端口电平, 无需切换为输入模式GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_1, Bit_SET); // 防止配置为输出模式后总线被拉低gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;GPIO_Init(GPIOA, &gpio);// PA9为USART1发送引脚, 设为复用推挽输出gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;gpio.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &gpio);USART_StructInit(&usart);usart.USART_BaudRate = 115200;usart.USART_Mode = USART_Mode_Tx;USART_Init(USART1, &usart);USART_Cmd(USART1, ENABLE);while (1){measure();delay(1000);}
}【程序运行结果】
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H:44% T:25H为湿度，T为温度。
【方法】STM32F103C8单片机通过定时器DMA测量脉冲宽度，无需CPU干预（以DHT11传感器为例）相关推荐
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