Прерывания от таймеров счётчиков

 

 

Для разрешения/запрещения прерывания от таймеров/счётчиков используется от 3-6 регистров ввода/вывода,которые равны числу счётчиков в конкретной модели.Точно так же дело обстоит и с регистрами,содержащими флаги прерываний.Названия и адреса всех эти регистров приведены в таблиц 4.

 

 

Таблица 4. Регистры для управления прерывания от таймеров/счётчиков

Модель	Таймер/счётчик	Разрешение прерываний	Флаги прерываний
Регистр	Адрес	Регистр	Адрес
Atmega 16x	T0, T1, T2	TIMSK	$39($59)	TIFR	$38($58)
Atmega 162x	T0, T1, T2	TIMSK	$39($59)	TIFR	$38($58)
T1, T3	ETIMSK	($7D)	ETIFR	($7C)

Форматы регистров, используемых для разрешения/запрещения прерывания от таймеров/счётчиков показаны на Рис…,а описание их битов приведено в Табл…

Для разрешения какого-либо прерывания от таймера/счётчика необходимо установить в 1 соответствующий бит регистра TIMSK(TIMSKn,где n=0,1,2,3)/ETIMSK и,разумеется,флаг 1 регистра SREG.

 

Таблица 5. Биты регистров TIMSK,ETIMSK и TIMSK0…..TIMSK3

Название бита	Описание
TOIEn	Флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счётчика Tn(n=0-3)
OCIEn	Флаг разрешения прерывания по событию”Совпадение”таймера/счётчика Tn(n=0,2)
OCIEnA	Флаг разрешения прерывания по событию”Совпадение A”таймера/счётчика Tn(n=0-3)
OCIEnB	Флаг разрешения прерывания по событию”Совпадение B”таймера/счётчика Tn(n=0-3)
OCIEnC	Флаг разрешения прерывания по событию”Совпадение C”таймера/счётчика Tn(n=0-3)
TICIEIn	Флаг разрешения прерывания по событию”Захват”таймера/счётчика Tn(n=0,2)

 

OCIE2 TOIE2 TICIE1 OCIE1A OCIE1B TOIE1 OCIE0 TOIE0 Atmega16x Чтение(R)/Запись(W) R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W   Начальное значение                                                             TOIE1 OCIE1A OCIE1B OCIE2 TICIE1 TOIE2 TOIE0 OCIE0 Atmega162x Чтение(R)/Запись(W) R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W   Начальное значение

 

Рис. 2. Формат регистров TIMSK

 

2. Прерывания от таймеров/счетчиков.

Таймеры-счётчики — это такие устройства или модули в микроконтроллере, которые, как видно из названия, постоянно что-то считают. Считают они либо до определённой величины, либо до такой величины, сколько они битности. Считают они постоянно с одной скоростью, со скоростью тактовой частоты микроконтроллера, поправленной на делители частоты, которые мы будем конфигурировать в определённых регистрах.

И вот эти таймеры-счётчики постоянно считают, если мы их инициализируем.

Таймеров в МК Atmega8 три.

 

 

Два из них — это восьмибитные таймеры, то есть такие, которые могут максимально досчитать только до 255. Данной величины нам будет маловато. Даже если мы применим максимальный делитель частоты, то мы не то что секунду не отсчитаем, мы даже полсекунды не сможем посчитать. А у нас задача именно такая, чтобы досчитывать до 1 секунды, чтобы управлять наращиванием счёта светодиодного индикатора. Можно конечно применить ещё наращивание переменной до определенной величины, но хотелось бы полностью аппаратного счёта.

Но есть ещё один таймер — это полноправный 16-битный таймер. Он не только 16-битный, но есть в нём ещё определённые прелести, которых нет у других таймеров. С данными опциями мы познакомимся позже.

Вот этот 16-битный таймер мы и будем сегодня изучать и использовать. Также, познакомившись с данным таймером, вам ничего не будет стоить самостоятельно изучить работу двух других, так как они значительно проще. Но тем не менее 8-битные таймеры в дальнейшем мы также будем рассматривать, так как для достижения более сложных задач нам одного таймера будет недостаточно.

Теперь коротко о прерываниях.

Прерывания (Interrupts) — это такие механизмы, которые прерывают код в зависимости от определённых условий или определённой обстановки, которые будут диктовать некоторые устройства, модули и шины, находящиеся в микроконтроллере.

В нашем контроллере Atmega8 существует 19 видов прерываний. Вот они все находятся в таблице в технической документации на контроллер

 

 

Какого типа могут быть условия? В нашем случае, например, досчитал таймер до определённой величины, либо например в какую-нибудь шину пришёл байт и другие условия.

На данный момент мы будем обрабатывать прерывание, которое находится в таблице, размещённой выше на 7 позиции — TIMER1 COMPA, вызываемое по адресу 0x006.

Теперь давайте рассмотрим наш 16-битный таймер или TIMER1.

Вот его структурная схема

 

 

Мы видим там регистр TCNTn, в котором постоянно меняется число, то есть оно постоянно наращивается. Практически это и есть счётчик. То есть данный регистр и хранит число, до которого и досчитал таймер.

А в регистры OCRnA и OCRnB (буквы n — это номер таймера, в нашем случае будет 1) — это регистры, в которые мы заносим число, с которым будет сравниваться чило в регистре TCNTn.

Например, занесли мы какое-нибудь число в регистр OCRnA и как только данное число совпало со значением в регистре счёта, то возникнет прерывание и мы его сможем обработать. Таймеры с прерываниями очень похожи на обычную задержку в коде, только когда мы находимся в задержке, то мы в это время не можем выполнять никакой код (ну опять же образно "мы", на самом деле АЛУ). А когда считает таймер, то весь код нашей программы в это время спокойно выполняется. Так что мы выигрываем колоссально, не давая простаивать огромным ресурсам контроллера по секунде или даже по полсекунды. В это время мы можем обрабатывать нажатия кнопок, которые мы также можем обрабатывать в таймере и многое другое.

Есть также регистр TCCR. Данный регистр — это регистр управления. Там настраиваются определенные биты, отвечающие за конфигурацию таймера.

Также у таймера существует несколько режимов, с которыми мы также познакомимся немного позденее.

Он состоит из двух половинок, так как у нас конотроллер 8-битный и в нем не может быть 16-битных регистров. Поэтому в одной половинке регистра (а физически в одном регистре) хранится старшая часть регистра, а в другом — младшая. Можно также назвать это регистровой парой, состоящей из двух отдельных регистров TCCR1A и TCCR1B. Цифра 1 означает то, что регистр принадлежит именно таймеру 1.

Даный регист TCCR отвечает за установку делителя, чтобы таймер не так быстро считал, также он отвечает (вернее его определённые биты) за установку определённого режима.

За установку режима отвечают биты WGM

 

 

Мы видим здесь очень много разновидностей режимов.

Normal — это обычный режим, таймер считает до конца.

PWM — это ШИМ только разные разновидности, то есть таймер может играть роль широтно-импульсного модулятора. С данной технологией мы будем знакомиться в более поздних занятиях.

CTC — это сброс по совпадению, как раз то что нам будет нужно. Здесь то и сравнивются регистры TCNT и OCR. Таких режима два, нам нужен первый, второй работает с другим регистром.

Все разновидности режимов мы в данном занятии изучать не будем. Когда нам эти режимы потребуются, тогда и разберёмся.

Ну давайте не будем томить себя документацией и наконец-то попробуем что-то в какие-нибудь регистры занести.

Код, как всегда, был создан из прошлого проекта. Для протеуса также код был скопирован и переименован с прошлого занятия, также в свойствах контроллера был указан путь к новой прошивке. Проекты мы назовем Test07.

Попробуем как всегда скомпилировать код и запустить его в протеусе. Если всё нормально работает, то начинаем добавлять новый код.

Добавим ещё одну функцию, благо добавлять функции мы на прошлом занятии научились. Код функции разместим после функции segchar и до функции main. После из-за того, что мы будем внутри нашей новой функции вызывать функцию segchar.

Мало того, мы создадим не одну функцию, а целых две. В одну функцию мы разместим весь код инициализации нашего таймеру, а другая функция будет являться обработчиком прерывания от таймера, а такие функции они специфичны и вызывать их не требуется. Когда возникнет необходимость, они вызовутся сами в зависимости от определённых условий, которые были оговорены выше.

Поэтому первую функцию мы назвовём timer_ini

 

//———————————————

void timer_ini (void)

{

 

}

//———————————————

 

Также давайте наши функции, а также какие-то законченные блоки с объявлением глобальных переменных, с прототипами функций будем отделять друг от друга вот такими чёрточками, которые за счет наличия двух слешей впереди компилятор обрабатывать не будет и примет их за комментарии. За счёт этих отчерчиваний мы будем видеть, где заканчивается одна функция и начинается другая.

Данная функция, как мы видим не имеет ни каких аргументов — ни входных, не возвращаемых. Давайте сразу данную функцию вызовем в функции main()

 

unsigned char butcount=0, butstate=0;

timer_ini ();

 

Теперь мы данную функцию начнём потихонечку наполнять кодом.

 

 

Начнем с регистра управления таймером, например с TCCR1B. Используя нашу любимую операцию "ИЛИ", мы в определённый бит регистра занесём единичку

 

void timer_ini(void)

{

TCCR1B |= (1<< WGM12); // устанавливаем режим СТС (сброс по совпадению)

 

Из комментария мы видим, что мы работает с битами режима, и установим мы из них только бит WGM12, остальные оставим нули. Исходя из этого мы сконфигурировали вот такой режим:

 

 

Также у таймера существует ещё вот такой регистр — TIMSK. Данный регистр отвечает за маски прерываний — Interrupt Mask. Доступен данный регистр для всех таймеров, не только для первого, он общий. В данном регистре мы установим бит OCIE1A, который включит нужный нам тип прерывания TIMER1 COMPA

 

 

TCCR1B |= (1<<WGM12); // устанавливаем режим СТС (сброс по совпадению)

TIMSK |= (1<< OCIE1A); //устанавливаем бит разрешения прерывания 1ого счетчика по совпадению с OCR1A(H и L)

 

Теперь давайте поиграемся с самими регистрами сравнения OCR1A(H и L). Для этого придётся немного посчитать. Регистр OCR1AH хранит старшую часть числа для сравнения, а регистр OCR1AL — младшую.

Но прежде чем посчитать, давайте пока напишем код с любыми значениями данного регистра и потом поправим, так как дальше мы будем инициализировать делитель и он тоже будет учавствовать в расчёте требуемого времени счёта. Без делителя таймер будет слишком быстро считать.

 

TIMSK |= (1<<OCIE1A); //устанавливаем бит разрешения прерывания 1ого счетчика по совпадению с OCR1A(H и L)

OCR1AH = 0b10000000; //записываем в регистр число для сравнения

OCR1AL = 0b00000000;

TCCR1B |= (); //установим делитель.

 

Пока никакой делитель не устанавливаем, так как мы его ещё не посчитали. Давайте мы этим и займёмся.

Пока у нас в регистре OCR1A находится число 0b1000000000000000, что соответствует десятичному числу 32768.

Микроконтроллер у нас работает, как мы договорились, на частоте 8000000 Гц.

Разделим 8000000 на 32768, получим приблизительно 244,14. Вот с такой частотой в герцах и будет работать наш таймер, если мы не применим делитель. То есть цифры наши будут меняться 244 раза в секунду, поэтому мы их даже не увидим. Поэтому нужно будет применить делитель частоты таймера. Выберем делитель на 256. Он нам как раз подойдёт, а ровно до 1 Гц мы скорректируем затем числом сравнения.

 

3. Предделители таймеров/счетчиков.

Как уже говорилось ранее, каждый таймер микроконтроллера может работать от двух разных источников тактовых импульсов. Либо это внешние импульсы, либо импульсы, вырабатываемые внутренней схемой микроконтроллера. Какой бы источник сигналов ни был выбран, перед тем, как попасть на вход таймера, этот сигнал проходит схему предварительного делителя. Предварительный делитель предназначен для того, чтобы расширить диапазон формируемых частот и длительностей таймера. Каждая микросхема АVR имеет свою струк­туру предварительного делителя для таймеров/счетчиков. Упрощенная схема одного из вариантов предварительного делителя приведена на рис. 5.1.

Как видно из приведенных схем, в микроконтроллеры интегрированы 10- ступенчатый делитель и мультиплексоры, осуществляющие подключение соответствующего выхода делителя ко входу счетчиков.

С выходов делителя снимаются сигналы СLК/8, CLK/64, CLK/256 и CLK/1024. В схеме имеют место цепи, через которые на вход таймера могут поступать внешние импульсы Т0 и Т1.

Рис.5.2

В режиме работы «Счетчик», в качестве активного фронта с помощью мультиплексора может быть выбран нисподающий или нарастающий фронт внешнего импульса на входах Т0 и Т1. При таком режиме внешний сигнал Т0 (как и Т1) синхронизируется с тактом системной синхронизации СLК внутреннего кварцевого осциллятора. Для этого внешний сигнал проверяется в течение каждого нарастающего фронта СLК (рис.5.2).

Рис.5.2.

На рис. 5.2 показаны различные сигналы, синхронизируемые сигналом CLK, при этом необходимо отметить, что только сигнал А синхронизируется без потери информации. Это необходимо учитывать при выборе частоты работы МК.

Все счетные сигналы поступают на входы данных мультиплексора. На адресные входы мультиплексора поступают сигналы от трех разрядов регистра управления таймером (TCCRn).

Таким образом, записывая в разряды CSn0, CSnl, CSn2 различные значения, можно выбирать один из восьми режимов работы предделителя. В зависимости от выбранного режима, на выход схемы могут поступать сигнал с одного из выходов десятиразрядного делителя, прямой сигнал с тактового генератора либо нулевой логический уровень (входа D0). В последнем случае сигнал на входе таймера будет отсутствовать, и его работа приостанавливается.

CSn2	CSn1	CSn0	Описание
			Источник тактирования не выбран. (Счетчик остановлен).
			clkI/O/1 (Не предварительного деления).
			clkI/O/8 (Тактовый сигнал с пред. делителя).
			clkI/O/64 (Тактовый сигнал с пред. делителя).
			clkI/O/256 (Тактовый сигнал с пред. делителя).
			clkI/O/1024 (Тактовый сигнал с пред. делителя).
			Внешнее тактирование с вывода Tn. Такт по спадающему фронту сигнала.
			Внешнее тактирование с вывода Tn. Такт по нарастающему фронту сигнала.

Здесь величиной clk_I/O обозначена частота тактирования процессора.

Таким образом, схемы предделителей обеспечивают следующие восемь различных вариантов формирования счетных импульсов:

· 0 - отсутствие импульсов;

· 1 - «таймер», прямой сигнал от внутреннего генератора;

· 2...5 - «таймер», один из сигналов с делителя;

· 6 - «счетчик», инверсный сигнал с внешнего входа (активный

ниспадающий фронт);

· 7 - «счетчик», прямой внешний сигнал (активный нарастающий

фронт).

Схема, приведенная на рис. 5.1, не является стандартом для всех микрокон­троллеров серии АVR. Она отражает лишь общий принцип построения пред­делителей. В разных моделях это сделано немного по-разному.

Как уже отмечалось, способ тактирования определяется битами CSn2:0 (Clock Select), расположенными в регистре управления TCCRnB.

 

4. Использование внешнего тактового сигнала.

5. Режимы работы таймеров/счетчиков.

 

В микроконтроллере ATmega328 есть три таймера. 2 из низ по 8 бит (T0, T2) и один 16 бит (T1). Для них всех есть одинаковые режимы работы, представленные ниже:

· Обычный режим работы. Самый распространенный режим, когда таймер просто считает приходящие импульсы и при переполнении счетного регистра устанавливает флаг прерывания по переполнению. При этом счетный регистр сбрасывается в 0 и подсчет импульсов начинается сначала.

· Режим подсчета импульсов (Сброс при совпадении). Также называется CTC. В этом режиме при совпадении счетного регистра с одним из регистров сравнения выставляется флаг прерывания по совпадению, счетный регистр обнуляется и подсчет начинается сначала. При этом по совпадению может меняться сигнал на выходе таймера, соответствующего используемому регистру совпадения.

· Режим ШИМ. В данном режиме изменяется ширина импульса в зависимости от значения, записанного в регистр совпадения. Для 8-битного таймера, к примеру, если записать в регистр совпадения число 10, состояние логической единицы на выходе совпадения будет 10 тактов из 256, а логический 0 246 тактов из 256 (для неинверсного режима). В инверсном же режиме 10 тактов будет состояние логического 0 и 246 тактов логической единицы.

· Режим коррекции фазы ШИМ. В обычном режиме ШИМ мы получаем плавающую фазу выходного сигнала. Для того, чтобы этого избежать, в режиме коррекции фазы ШИМ при достижении максимального значения, счетный регистр таймера/счетчика начинает уменьшатся. Это происходит циклически.

Это все основные режимы работы таймеров/счетчиков. К примеру у таймера/счетчика T0присутствуют только они.

Дополнительные режимы работы таймера/счетчика T2:

· Асинхронный режим работы. В асинхронном режиме работы к микроконтроллеру подключается внешний кварцевый резонатор 32 кГц. Чаще всего этот режим используется для работы таймера/счетчика T2 в качестве часов реального времени.

Дополнительные режимы работы таймера/счетчика T1:

· Режим коррекции фазы и частоты ШИМ. Отличается от режима коррекции фазы ШИМ лишь моментом обновления регистра сравнения. Регистр сравнения обновляется когда значение счетного регистра достигает минимума.

· Режим захвата. При поступлении сигнала от аналогового компаратора, а также на вывод ICP1 (14 ножка) значение счетного регистра сохраняется в регистре захвата, устанавливая при этом флаг прерывания по захвату.

 

 

Режимы работы таймеров/счетчиков

1. Формирование ШИМ-сигнала.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. pulse - width modulation (PWM)) — процесс управления мощности методом пульсирующёго включения и выключения прибора. Различаютают аналоговую ШИМ и цифровую ШИМ, двоичную (двухуровневую) ШИМ и троичную (трёхуровневую) ШИМ ^[1].

Причины распространения ШИМ

Основной причиной применения ШИМ является стремление к повышению КПД при построении вторичных источников питания электронной аппаратуры и в других узлах, например, ШИМ используется для регулировки яркости подсветки LCD-мониторов и дисплеев в телефонах, КПК и т.п..