Режимы работы таймеров

Общие сведения

Любой микроконтроллер серии AVR содержит несколько встроен­ных таймеров. Причем по своему назначению их можно разделить на две категории. К первой категории относятся таймеры общего назначения. Вторую категорию составляет сторожевой таймер. Сторожевой таймер предназначен для автоматического перезапуска микроконтроллера в слу­чае «зависания» его программы.

Это полезно запомнить.Зависанием называют зацикливание программы в результате ошибки, допущенной программистом, либо в результате действия внешней помехи.

Для каждой микросхемы нужен всего один сторожевой таймер. В любом микроконтроллере AVR такой таймер имеется.

Таймеры общего назначения используются для формирования различ­ных интервалов времени и прямоугольных импульсов заданной частоты. Кроме того, они могут работать в режиме счетчика и подсчитывать так­товые импульсы заданной частоты, измеряя таким образом длительность внешних сигналов, а также при необходимости подсчитывать количество любых внешних импульсов.

По этой причине данные таймеры называют «таймеры/счетчики».В микросхемах AVR применяются как восьмиразрядные, так и шестнадцати­разрядные таймеры/счетчики. Их количество для разных микроконтрол­леров изменяется от одного до четырех. Точное количество таймеров/счет­чиков для каждой микросхемы серии AVR можно определить из табл. 3.1(графа «Таймеры 8/16 бит»). Все таймеры обозначаютсячислами от 0 до 3.

Пример. Timer/Counter0, Timer/Counter1 и т.д. В русскоязычной литературе их чаще именуют сокращенно Т0, Т1,Т2, ТЗ. Таймеры Т0 иТ2 в большин­стве микроконтроллеров — восьмиразрядные. Таймеры Т1 и ТЗ — шестнадцатиразрядные. Таймер Т0 имеется в любой микросхеме AVR. Остальные добавляются по мере усложнения модели.

Каждый восьмиразрядный таймер представляет собой один восьми­разрядный регистр, который для микроконтроллера является регистром ввода-вывода. Этот регистр хранит текущее значение таймера и называется счетным регистром. Шестнадцатиразрядные таймеры имеют шестнадцати­разрядный счетный регистр.Каждый счетный регистр имеет свое имя.

Счетный регистр восьмиразрядного таймера именуется TCNTx, где «х» — это номер таймера Для таймера Т0 регистр называется TCNT0. Для таймера Т2 — TCNT2. Шестнадцатиразрядные регистры именуются похожим обра­зом. Отличие в том, что каждый шестнадцатиразрядный счетный регистр для микроконтроллера представляет собой два регистра ввода-вывода.

Один предназначен для хранения старших битов числа, а второй — для хранения младших битов. К имени регистра старших разрядов добав­ляется буква Н, а для регистра младших разрядов добавляется буква L. Таким образом, счетный регистр таймера Т1 — это два регистра ввода-вывода: TCNT1H и TCNT1L. Счетный регистр таймера ТЗ — это два регистра TCNT3H и TCNT3L.

Микроконтроллер может записать в любой счетный регистр любое число в любой момент времени, а также в любой момент прочитать содержимое любого счетного регистра. Когда таймер включается в режим счета, то на его вход начинают поступать счетные импульсы. После при­хода каждого такого импульса содержимое счетного регистра увеличива­ется на единицу. Счетными импульсами могут служить как специальные тактовые импульсы, вырабатываемые внутри самого микроконтроллера, так и внешние импульсы, поступающие на специальные входы микро­схемы. При переполнении счетного регистра его содержимое обнуляется, и счет начинается сначала.

Любой таймер жестко завязан с системой прерываний. Вызвать пре­рывание может целый ряд событий, связанных с таймером. Например, существует прерывание по переполнению таймера, по срабатыванию специальной схемы совпадения. Отдельные прерывания может вызывать сторожевой таймер.

Режимы работы таймеров

Таймеры микроконтроллеров семейства AVR могут работать в несколь­ких режимах. Разные микроконтроллеры имеют разные наборы режимов для своих таймеров. Для выбора режимов работы существуют специаль­ные регистры — регистры управления таймерами. Для простых таймеров используется один регистр управления. Для более сложных — два реги­стра. Регистры управления таймером называются TCCRx (где «х» — номер таймера). Например, для таймера Т0 используется один регистр с именем TCCR0. Для управления таймером Т1 используется два регистра: TCCR1А и TCCR1B. При помощи регистров управления производится не только выбор соответствующего режима, но и более тонкая настройка таймера. Ниже перечислены все основные режимы работы таймера и их описание.

Режим Normal

Это самый простой режим. В этом режиме таймер производит под­счет приходящих на его вход импульсов (от тактового генератора или внешнего устройства) и вызывает прерывание по переполнению. Этот режим является единственным режимом работы для восьмиразрядных таймеров большинства микроконтроллеров семейства «Tiny» и для части микроконтроллеров семейства «Mega». Для всех остальных восьмираз­рядных и всех шестнадцатиразрядных таймеров это всего лишь один из возможных режимов.

Режим «Захват» (Capture)

Суть этого режима заключается в сохранении содержимого счетного регистра таймера в определенный момент времени. Запоминание проис­ходит либо по сигналу, поступающему через специальный вход микро­контроллера, либо от сигнала с выхода встроенного компаратора.

Этот режим удобен в том случае, когда нужно измерить длительность какого-либо внешнего процесса. Напримервремя, за которое напряже­ние на конденсаторе достигнет определенного значения. В этом случае напряжение с конденсатора подается на один из входов компаратора, а на второй его вход подается опорное напряжение.

Микроконтроллер должен одновременно запустить два этих процесса: подать напряжение на конденсатор; запустить таймер в режиме Capture.

Конденсатор начнет заряжаться, напряжение на нем при этом будет плавно расти. Одновременно счетчик таймера будет отсчитывать так­товые импульсы заданной частоты. В тот момент, когда напряжение на конденсаторе сравняется с опорным напряжением, логический уровень на выходе компаратора изменится на противоположный. По этому сиг­налу текущее значение счетного регистра запоминается в специальном регистре захвата.Имя этого регистра ICRx (для таймера Т0 это будет ICR0, для Tl — ICR1 и т. д.). Одновременно вырабатывается запрос на прерывание.

Используя принцип измерения времени зарядки, удобно создавать простые схемы, работающие с различными аналоговыми датчиками (температуры, давления и т. д.). Если принцип работы датчика состоит в изменении его внутреннего сопротивления, то такой датчик можно включить в цепь зарядки конденсатора. Емкостные датчики можно под­ключать напрямую.

Режим «Сброс при совпадении» (СТС)

Для работы в режиме СТС используется специальный регистр — регистрсовпадения. Если микроконтроллер содержит несколько тайме­ров, то для каждого из них существует свой отдельный регистр совпаде­ния. Причем для восьмиразрядных таймеров регистр совпадения — это один восьмиразрядный регистр. Для шестнадцатиразрядных таймеров регистр совпадения — это два восьмиразрядных регистра.

Регистры сравнения также имеют свои имена. Например, регистр совпадения таймера Т1 состоит из двух регистров: OCR1L и OCR1H. В ряде микроконтроллеров существуют два регистра совпадения. Так, во всех микроконтроллерах семейства «Tiny» существует два регистра совпадения для таймера Т1. Это регистры OCR1A и OCR1B. Два реги­стра совпадения для таймера Т1 имеет и микроконтроллер ATmega8x. Во втором случае как таймер, так и его регистры совпадения имеют шест­надцать разрядов.

Если регистр совпадения шестнадцатиразрядный, то физически он состоят из двух регистров ввода-вывода. Например,два регистра совпадения таймера Т1 микросхемы ATmega8x представляют собой четыре регистра ввода-вывода с именами OCR1AL, OCR1AH, OCR1BL, OCR1BH.

Как же используются регистры совпадения? Эти регистры включаются в работу только тогда, когда выбран режим СТС. В этом режиме, как и в предыдущем, таймер производит подсчет входных импульсов. Текущее значение таймера из его счетного регистра постоянно сравнивается с содержимым регистров совпадения.

Если таймер имеет два регистра совпадения, то для каждого из этих регистров производится отдельное сравнение. Когда содержимое счетного регистра совпадет с содержимым одного из регистров совпадения, прои­зойдет вызов соответствующего прерывания. Кроме вызова прерывания, в момент совпадения может происходить одно из следующих событий:

♦ сброс таймера (верно только для регистров совпадения OCR1 и OCR1A);

♦ изменение состояния одного из выводов микроконтроллера (верно для всех регистров).

Произойдет или не произойдет одно или оба события из вышепере­численных, определяется при настройке таймера.

Режим «Быстродействующий ШИМ» (Fast PWM)

Это полезно запомнить. ШИМ — расшифровывается как Широтно-Импульсная Модуляция. На английском это звучит как «Pulse Width Modulation» (PWM). Сигнал с ШИМ часто используется в устройствах управления.

Сигнал с ШИМ можно, например,использовать для регулировки ско­рости вращения электродвигателя постоянного тока. Для этого вместо постоянного напряжения на двигатель подается прямоугольное импульс­ное напряжение. Благодаря инерции двигателя импульсы сглаживаются, и двигатель вращается равномерно. Меняя скважность импульсов (то есть отношение периода импульсов к их длительности), можно изменять среднее напряжение, приложенное к двигателю и, тем самым, менять ско­рость его вращения.

Точно таким же образом можно управлять и другими устройствами. Например, нагревательными элементами, осветительными приборами и т. п. Преимущество импульсного управления — в высоком КПД.

Импульсные управляющие элементы рассеивают гораздо меньше пара­зитной мощности, чем управляющие элементы, работающие в аналого­вом режиме.

Для формирования сигнала ШИМ используются те же самые регистры совпадения, которые работают и в режиме СТС. Формирование сигнала ШИМ может осуществляться несколькими разными способами. Работа таймера в режиме Fast PWM проиллюстрирована на рис. 3.5.

Сигнал с ШИМ формируется на специальном выходе микроконтрол­лера. На вход таймера подаются импульсы от системного генератора. Таймер находится в состоянии непрерывного счета. При переполнении таймера его содержимое сбрасывается в ноль, и счет начинается сна­чала. В режиме ШИМ переполнение таймера не вызывает прерываний. На рис. 3.5 это показано в виде пилообразной кривой, обозначенной как TCNTn. Кривая представляет собой зависимость содержимого счетного регистра от времени.

Содержимое счетного регистра непрерывно сравнивается с содер­жимым регистра совпадения. Пока число в регистре OCRn больше, чем число в счетном регистре таймера (TCNTn), напряжение на выходе ШИМ равно логической единице. Когда же в процессе счета содержимое счетного регистра TCNTn станет больше содержимого OCRn, на выходе ШИМ установится нулевой потенциал.

В результате на выходе мы получим прямоугольные импульсы. Скважность этих импульсов будет зависеть от содержимого регистра OCRn. Чем меньше число в OCRn, тем выше скважность выходных импульсов. На рис. 3.5 показана скважность импульсов для двух разных значений регистра OCRn.

Если содержимое OCRn достигнет своего максимального значения, то импульсы на выходе ШИМ исчезнут, и там постоянно будет присут­ствовать логическая единица. При уменьшении числа в OCRn появятся импульсы малой скважности (длительность почти равна периоду). Если плавно уменьшать число в OCRn, то скважность будет плавно умень­шаться. Когда содержимое OCRn достигнет нуля, импульсы на выходе ШИМ также исчезнут, и там установится логический ноль.

Режим «ШИМ с точной фазой» (Phase Correct PWM)

Описанный в предыдущем разделе режим ШИМ имеет один недоста­ток. При изменении длительности импульсов меняется и их фаза. Центр каждого импульса как бы сдвигается во времени. При управлении элек­тродвигателем такое поведение фазы нежелательно. Поэтому в микро­контроллерах AVR предусмотрен еще один режим ШИМ. Это ШИМ с точной фазой. Принцип работы таймера в этом режиме изображен на рис. 3.6.

Отличие режима «Phase Correct PWM» от режима «Fast PWM» заклю­чается в режиме работы счетчика. Сначала счетчик считает так же, как и в предыдущем режиме (от каждого входного импульса его значение увеличивается на единицу). Достигнув своего максимального значения, счетчик не сбрасывается в ноль, а переключается в режим реверсивного счета.

Теперь уже от каждого входного импульса его содержимое умень­шается на единицу. В результате пилообразная кривая, отображающая содержимое счетного регистра TCNTn, становится симметричной, как показано на рис. 3.6. Система совпадения работает так же, как и в пред­ыдущем случае.

Благодаря симметричности сигнала на таймере, фаза выходных. импульсов в процессе регулировки скважности не изменяется. Середина каждого импульса строго привязана к точке смены направления счета таймера.

Недостатком режима «Phase Correct PWM» можно считать в два раза меньшую частоту выходного сигнала. Это существенно уменьшает динамичность регулирования. Кроме того, при использовании внешних фильтров для преобразования импульсного сигнала ШИМ в аналоговый, схема с более низкой частотой потребует применения комплектующих с большими габаритами и массой.

Асинхронный режим

В некоторых моделях микроконтроллеров таймер может работать в асинхронном режиме. В этом режиме на вход таймера подается либо частота от внутреннего кварцевого генератора, либо от внешнего генера­тора. Счетчик не вырабатывает никаких прерываний и дополнительных сигналов. В этом режиме он работает в качестве часов реального вре­мени. Микроконтроллер может предустанавливать содержимое счетного регистра. А затем в любой момент он может считать это содержимое, получив, таким образом, текущее значение реального времени.