Общие сведения

Микроконтроллер ATMega16 имеет три встроенных таймера/счетчика Т0,Т1 и Т2. С помощью таймеров/счетчиков в управляющей или встроенной системе на микроконтроллере выполняются следующие основные функции: формирование временных сигналов управления объектом, измерение временных параметров сигналов от датчиков, подсчет числа внешних событий, формирование точных временных интервалов. К временным параметрам сигналов относятся: частота, период, длительность, временной сдвиг импульсов. Понятие “внешнее событие” соответствует фронту/срезу импульса (импульсу), поступающего через вывод порта на вход таймера от датчика. Подсчет числа внешних событий может использоваться при подсчете числа деталей на конвейере или подсчете числа оборотов вала.

Аппаратно таймеры/счетчики представляют собой загружаемые суммирующие счетчики (в некоторых режимах ШИМ таймеры являются реверсивными). Основные режимы таймеров/счетчиков: режим счетчика и режим таймера. В режиме счетчика таймеры выполняют функции счета внешних импульсов, поступающих с внешних устройств (от датчиков) через контакты разрядов порта с альтернативными именами Т0,Т1,Т2.

Внешний сигнал синхронизируется с импульсами тактового генератора. Для правильной обработки внешних импульсов минимальное время между соседними импульсами должно быть больше периода тактовых импульсов.

В режиме таймера таймерами/счетчиками производится счет импульсов, поступающих на их входы либо от тактового генератора непосредственно, либо через делитель частоты, с коэффициентами деления 8,64,256,1024, т.е. в режиме таймера производится счет временных импульсов. Этот режим используется для формирования точных временных интервалов, например, длительности импульса и длительности паузы при генерации импульсных сигналов.

Точность и разрешение 8-разрядных таймеров/счетчиков растет с уменьшением коэффициента предварительного деления. Высокий коэф­фициент предварительного деления удобно использовать при реализации медленных операций или синхронизации редко происходящих событий.

При переполнении Т1 или Т0 устанавливается флаг прерывания по переполнению соответствующего таймера TOV1 или TOV0 и вызывается подпрограмма обработки прерывания по переполнению таймера/счетчика. Адреса подпрограмм (векторы) прерываний размещены в ячейках программной памяти с адресами $10 и $12 для Т1 и Т0 соответственно. Флаги прерываний, имена которых TOV1 и TOV0, аппаратно представляют собой триггеры – разряды регистра флагов прерываний от таймеров TIFR.

При записи значения в таймер/счётчик Т0 или Т1, если присутствуют тактовые импульсы, таймер счётчик продолжает счёт в следующем за операцией записи тактовом цикле таймера/счетчика с загруженного значения, т.е. допускает запись “на лету”.

3.3.2 Таймер/счетчик Т0.

Таймер/счетчик Т0 имеет имя TCNT0 и является 8-разрядным суммирующим счетчиком. В одном из режимов ШИМ он работает как реверсивный счетчик. На его вход могут поступать как внешние импульсы через контакт разряда порта PINB,0/Т0 (функция счетчика), так и импульсы от внутреннего тактового генератора либо непосредствено, либо через делитель частоты с коэффициентами деления 8,64,256 или 1024 (функция таймера).

Функция таймера Т0 имеет четыре режима: нормальный (Normal), ШИМ с точной фазой (Phase Correct PWM), сброс по совпадению (CTC) и быстрый ШИМ (Fast PWM). Структура таймера Т0 представлена на рис.22.

В режиме Normal таймер Т0 функционирует как обычный суммирующий счетчик. При переходе от состояния FF к состоянию нуля возникает переполнение, устанавливается флаг прерывания по переполнению TOV0 и может быть вызвана подпрограмма прерывания по переполнению таймера Т0. Во время работы таймера его содержимое сравнивается в каждом такте с содержимым специального регистра сравнения OCR0. При их равенстве устанавливается флаг прерывания по совпадению OCF0 и может быть вызвана подпрограмма обработки прерывания по совпадению (если эти

Рисунок 22

прерывания предварительно разрешены). Кроме того, при совпадении может измениться состояние разряда порта РВ3/ОС0 (выход совпадения таймера Т0).

В режиме сброса по совпадению коэффициент счета Т0 равен значению в регистре OCR0 (рис.22а).

Рисунок 22а

В этом режиме таймер также работает как суммирующий счетчик и также происходит сравнение TCNT0 и OCR0. При их равенстве таймер обнуляется и продолжает счет с нулевого значения. Кроме того, устанавливаются флаги прерывания по переполнению TOV0 и по совпадению OCF0 и могут быть вызваны соответствующие подпрограммы обработки прерываний. Одновременно с установкой флагов может измениться состояние выхода совпадения ОС0(PINB.3).

Возможно принудительное изменение состояния выхода ОС0.

В режиме быстрой ШИМ работа таймера аналогична работе в режиме совпадения. Однако переключение выхода совпадения может происходить как в момент совпадения регистров TCNT0 и OCR0, так и при переполнении таймера. Например, для инвертированного ШИМ-сигнала при совпадении значений в регистре OCR0 и в таймере выход ОС0 устанавливается в единицу, а при переполнении таймера – сбрасывается. Для неинвертированного сигнала ШИМ поведение выхода совпадения инверсное.

В режиме ШИМ с корректной фазой (Phase Correct PWM) таймер Т0 работает как реверсивный счетчик. Сначала Т0 работает в суммирующем режиме. После достижения состояния FF он автоматически переключается в вычитающий режим и далее его значение уменьшается до нуля. При равенстве значений в таймере и в регистре сравнения при нарастании и при уменьшении значений в таймере может происходить переключение выхода совпадения. Этот вид сигнала ШИМ называют центрированным сигналом ШИМ. Очевидно, что период ШИМ сигнала в этом режиме в два раза больше, чем в режиме быстрой ШИМ. Однако, этот сигнал чаще используется для управления двигателями, чем сигнал с быстрой ШИМ.

Временные диаграммы сигналов таймера Т0 аналогичны диаграммам таймера Т1, которые будут представлены ниже.

Управление таймером Т0 производится при помощи регистра управления TCCR0, формат которого представлен на рисунке 23.

Рисунок 23

Седьмой разряд регистра TCCR0 – FOC0 – принудительное изменение состояния вывода OC0 (режимы Normal и CTC). При записи лог. 1 в этот разряд состояние вывода OC0 изменяется в соответствии с установками разрядов COM01:COM00 (таблица19). Прерывание при этом не генерируется и сброс таймера (в режиме CTC) не производится. В режимах Fast PWM (быстрый ШИМ) и Phase Correct PWM (Шим с точной фазой) этот разряд должен быть сброшен в «0».

WGM01:WGM00 определяют режимы работы таймера/счётчика Т0 в соответствии с таблицей 17.

Разряды COM01:COM00 определяют поведение OC0 при наступлении события «Совпадение». Влияние содержимого этих разрядов на состояние вывода зависит от режима работы таймера/счётчика Т0 (таблицы 18 и 19).

Таблица 17

Номер режима	WGM01	WGM00	Режим работы таймера/счётчика Т0
			Normal
			Phase Correct PWM (ШИМ с точной фазой)
			CTC (сброс при совпадении)
			Fast PWM (быстрый ШИМ)

Таблица 18 Управление выводом OC0 в режиме CTC:

COM01	COM00	Описание
		Таймер/счётчик Т0 отключен от вывода OC0.
		Состояние вывода PIND.3 при совпадении TCNT0 и OCR0 инвертируется.
		Вывод сбрасывается в «0».
		Вывод устанавливается в «1».

Таблица 19 Поведение ОС0 в режиме FAST PWM и (PHASE CORRECT PWM)

COM01	COM00	Описание
		Таймер/счётчик отключен отвывода OC0
		Зарезервировано
		Сбрасывается в «0» при равенстве регистров TCNT0 и OCR0 при прямом счете и устанавливается в «1» при переполнении. (Для Phase Correct PWM: Сбрасывается в «0» при прямом счёте и устан. в «1» при обратном счете).
		Устанавливается в «1» при равенстве регистров TCNT0 и OCR0. (Для Phase Correct PWM: Устанавливается в «1» при прямом счёте и сбрасывается при обратном счете).

Таблица 20 Выбор коэффициента деления частоты для таймера Т0

CS02	CS01	CS00	Описание
			Таймер/счетчик 0 остановлен
			Коэффициент деления 1
			Коэффициент деления 8
			Коэффициент деления 64
			Коэффициент деления 256
			Коэффициент деления 1024
			Режим счетчика, переключение TCNT0 по срезу
			Режим счетчика, переключение TCNT0 по фронту

Разряды CS02…CS00 определяют источник тактового сигнала микроконтроллера: внешние импульсы или от тактового генератора, с делителем частоты или без него. Этими разрядами определяется также коэффициент деления делителя частоты. Если значения разрядов 000, то таймер Т0 остановлен. При любых других значениях CS02-CS00 таймер включается и будет функционировать в режиме, определенном другими разрядами регистра управления TCCR0.

Пример1: Настроить таймер/счетчик Т0 на работу в режиме сброса по совпадению; значение входной частоты равно тактовой деленной на 256.

TCCR0 = 0b00001100; /* Режим сброса по совпадению определяется значениями битов WGM01 и WGM00 равными 1 и 0 в соответствии с таблицей 17. Значение коэффициента деления определяется по таблице 20 и для заданного К=256 значения битов CS20 – CS00 должны быть равны 100 соответственно. */

Пример 2: Формирование временного интервала равного 100 тактам тактового генератора с помощью таймера/счетчика Т0.

TCNT0 = 265 – 100; //загрузка в Т0 значения 256-100=156

ТССR0 = 1; //коэфф. деления делителя = 1, пуск таймера.

От момента включения Т0 до установки флага прерывания переполнению Т0 пройдет время, равное 100 импульсам тактового генератора.

3.3.3 Таймер/счетчик Т1.

Физически 16-разрядный таймер/счетчик Т1 состоит из двух 8-разрядных счетчиков TCNT1H и TCNT1L. Таймер/счетчик Т1, кроме режимов счетчика и таймера, имеет режим захвата и 15 режимов совпадения (сравнения). Часть режимов сравнения называют режимами генератора импульсов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

В режиме счетчика таймером/счетчиком Т1 производится счет внешних импульсов со входа Т1 (альтернативное имя контакта порта PIND.1). Изменение состояния Т1 может производиться по фронту или по срезу входного импульса.

В режиме таймера таймером/счетчиком Т1 производится счет импульсов, поступающих от тактового генератора микроконтроллера через делитель частоты с программно устанавливаемым коэффициентом деления. В любом из этих режимов при переполнении Т1 устанавливается флаг прерывания по переполнению и может быть вызвана подпрограмма прерывания по переполнению Т1.

Структурная схема таймера/счетчика Т1 приведена на рис.24.

РЕЖИМ ЗАХВАТА используется для измерения временных параметров сигналов: периода, длительности и временного сдвига импульсов.

В режиме захвата по входу обеспечивается аппаратная загрузка текущего содержимого Т1 в 16-разрядный регистр захвата ICR1 по фронту или по срезу входного (внешнего) импульса на входе захвата микроконтроллера ICP(PIND6). По схеме: фронтом или срезом импульса от входа ICP производится запись содержимого TCNT1 в регистр захвата. Этот же сигнал захвата может вызвать подпрограмму прерывания по захвату (устанавливается флаг ICF1). Условия захвата определяются битами ICES1 и ICNC1 регистра управления TCCR1B. Если ICES1= 0, то захват производится срезом, иначе - фронтом импульса на входе захвата. Если ICNC1= 0, то включен подавитель помех – захват производится на четвертый фронт или срез импульса на входе захвата ICP.

Рисунок 24

РЕЖИМЫ СРАВНЕНИЯ таймера Т1 используются в управляющих системах на микроконтроллерах для генерации импульсных сигналов с заданными значениями временных параметров: частоты следования, периода, длительности. В режиме сравнения текущее содержимое работающего таймера в цифровых компараторах COMPARATOR А и COMPARATOR B сравнивается с содержимым специальных 16-разрядных регистров сравнения OCR1A и OCR1В. При равенстве значений таймера и соответствующего регистра сравнения может изменяться состояние (0←1 или 1←0) соответствующего выхода сравнения микроконтроллера OC1A или OC1B (альтернативные имена разрядов PIND,5 и PIND,4).

Кроме этого в момент совпадения устанавливается соответствующий флаг прерывания по совпадению таймера/счетчика Т1 (OCF1A или OCF1B) и может быть вызвана соответствующая подпрограмма прерываний.

Управление таймером/счетчиком Т1 производится с помощью регистров TCCR1A и TCCR1B. Их форматы приведены на рисунках 25 и 26.

Выбор источника входных импульсов для таймера/счетчика Т1, а также остановка/пуск его, определяется разрядами CS02 – CS00, в соответствии с таблицей 22 (по аналогии с управлением с таймером Т0).

СOM1A1	COM1A0	COM1B1	COM1B0	FOC1A	FOC1B	WGM11	WGM10

Рис.25 Формат регистра TCCR1A

ICNC1	ICES1	-	WGM13	WGM12	CS12	CS11	CS10

Рис. 26 Формат регистра TCCR1В

Разряды WGM13 - WGM10 регистров TCCR1А и TCCR1В определяют все режимы совпадения Т1 в соответствии с таблицей 21.

Таблица 21 Режимы совпадения Т1

Номер режима	WGM13	WGM12	WGM11	WGM10	Режим работы	Модуль счета Т1
					Normal	FFFF
					Точная фаза PWM, 8-разрядный, реверсивный	00FF
					Точная фаза PWM, 9-разрядный, реверсивный	01FF
					Точная фаза PWM, 10-разрядный, реверсивный	03FF
					СТС (сброс при совпадении)	OCR1A
					Быстрый PWM, 8-разрядн.	00FF
					Быстрый PWM, 9-разрядн.	01FF
					Быстрый PWM, 10-разрядн.	03FF
					Точные фаза и частота PWM, реверсивный	ICR1
					Точные фаза и частота PWM, реверсивный	OCR1A
					Точная фаза PWM, реверсивный	ICR1
					Точная фаза PWM, реверсивный	OCR1A
					СТС (сброс при совпадении)	ICR1
					Не используется	-
					Быстрый PWM	ICR1
					Быстрый PWM	OCR1A

Таблица 22 Выбор источника тактовых импульсов для таймера Т1

CS12	CS11	CS10	Описание
			Таймер/счетчик 1 остановлен
			Коэффициент деления 1
			Коэффициент деления 8
			Коэффициент деления 64
			Коэффициент деления 256
			Коэффициент деления 1024
			Режим счетчика, переключение по срезу
			Режим счетчика, переключение по фронту

Таблица 23 Выбор управления выводами OC1A и OC1B в режимах сброса по совпадению (режимы 4 и 12)

СОМ1А(В)1	СОМ1А(В)0	Описание
		Таймер/счетчик 1 отключен от выхода ОС1А(В)
		Переключение выходной линии ОС1А(В)
		Вывод ОС1А(В) сбрасывается в “0”
		Вывод ОС1 А(В) устанавливается в “1”

Таблица 24 Управление выводами OC1A и OC1B в режимах генераторов

ШИМ

СОМ1А1 (СОМ1B1)	СОМ1А0 (СОМ1B1)	Описание
		Таймер/счетчик 1 отключен от вывода ОС1A(B)
		Переключение выходной линии ОС1A(B) при WGM13=1 и Т1 отключен от вывода ОС1А(В) при WGM13=0
		Установка нуля на выводе ОС1A(B) при совпадении в суммирующем режиме TCNT1 – неинвертируемый ШИМ
		Установка единицы на выводе ОС1A(B) при совпадении в суммирующем режиме TCNT1 – инвертируемый ШИМ

Биты СОМ1А1, СОМ1А0 и СОМ1В1, СОМ1В0 определяют характер сигнала на выходах совпадения ОС1А и OC1B соответственно при равенстве Т1 и OCR1A(OCR1B). Коды управления представлены в таблицах 23 и 24.

Режим Normal. В этом режиме Т1работает как 16-разрядный суммирующий счетчик. При равенстве содержимого Т1 и какого-либо регистра сравнения OCR1A или OCR1B устанавливается соответствующий флаг прерывания по совпадению OCF1A или OCF1B, может вызываться соответствующая подпрограмма обработки прерывания, а также может измениться значение выхода совпадения микроконтроллера: разряды PIND.5/ OC1A или PIND.4/OC1B. При переполнении Т1 (когда значение в Т1 изменяется от 65535=2¹⁶-1 до нуля) устанавливается флаг прерывания по переполнению TOV1 и может быть вызвана соответствующая подпрограмма прерывания. После переполнения таймера Т1 начинается следующий цикл счета его.

Режимы СТС (сброс по совпадению). В режиме№4 работа Т1 аналогична работе в режиме Normal, но при совпадении содержимого Т1 и регистра совпадения OCR1A таймер Т1 обнуляется, т.е. модуль счета таймера Т1 определяется значением в регистре совпадения OCR1A. Далее в таймере Т1 начинается новый цикл счета. При обнулении Т1 устанавливаются флаги прерываний по совпадению OCF1A и по переполнению TOV1. Кроме того, при совпадении может изменяться состояние выхода совпадения ОС1А (разряд PIND.5).

В режиме №12 сравнение значения Т1 производится со значением в регистре захвата ICR1. При равенстве Т1=ICR1 устанавливается флаг ICF1 и может измениться PIND.4. В остальном, этот режим аналогичен режиму №4.

Все остальные режимы являются режимами генератора широтно-импульсно модулированного сигнала.

РЕЖИМЫ ГЕНЕРАТОРА ШИМ ( PWM) используются для управления двигателями, в качестве узла специальных АЦП, для формирования аналогового сигнала и др. Режимы генератора широтно-импульсно-модулированного сигнала (ШИМ) отличаются тем, что модуль счета Т1 может быть постоянным (режимы 1 и 5 – константа FF, режимы 2 и 6 – константа 1FF, режимы 3 и 7 – константа 3FF) и программно устанавливаемым, т.е. равным содержимому регистров OCR1A или ICR1 (режимы 8,9,10,11,14,15). Иначе, максимальное значение таймер Т1 может быть либо константой, либо задаваться значением в регистре ICR1 или OCR1A.

Во всех этих режимах при достижении таймером/счетчиком значения, равного содержимому регистра OCR1A(ICR1) или константе счета, производится либо сброс Т1 (режимы 5,6,7,14,15), либо переключение в сторону обратного счета (режимы 1,2,3,8,9,10,11). Иначе, таймер/счетчик Т1 может быть суммирующим или реверсивным. В режимах 1,2,3,8,9,10,11 таймер/счетчик Т1 работает как реверсивный счетчик. Сначала он работает как суммирующий счетчик. При достижении таймером/счетчиком максимального значения, он переключается в вычитающий режим и его состояния при счете уменьшаются до нуля. Затем он снова переключается в суммирующий режим и т.д..

Во всех режимах ШИМ выполняется сравнение текущего значения Т1 со значениями в регистрах сравнения OCR1A и OCR1B. В режимах 1,2,3,8,9,10,11 при равенстве значений в таймере Т1 и регистре сравнения на соответствующем выводе ОС1А или ОС1В (альтернативные имена 5-го и 4-го разрядов порта D) может устанавливаться единичный уровень (фронт импульса) или нулевой уровень (срез импульса). В режимах 5,6,7,14,15 Т1 функционирует как суммирующий счетчик. Выход ОС1А (ОС1В) может изменять состояние при совпадении TCNT1=OCR1A(OCR1B) и при переполнении таймера/счетчика, т.е. при переходе значения от максимального значения к нулевому.

Напоминаем, что ШИМ-сигнал выводится на контакт порта PIND.5(PIND.4), а не в соответствующий разряд регистра PORTD.

Возможны два вида сигнала ШИМ: инвертирующий и неинвертирующий. При инвертирующем сигнале ШИМ вывод ОС1А (ОС1В) устанавливается в единичное состояние, при равенстве значений, при увеличении значений счетчика и в нулевое состояние по уменьшению счетчика для режимов, в которых Т1 работает как реверсивный счетчик. При неинвертирующем сигнале ШИМ вывод ОС1А (ОС1В) сбрасывается в нулевое состояние, при равенстве значений, по нарастанию значений в Т1 и устанавливается в единичное состояние при равенстве значений по убыванию значений в Т1.

Режимы Точной фазы и частоты (№8 и №9). В режиме №8 таймер-счетчик Т1 работает как реверсивный счетчик (рисунок 28). После запуска Т1 работает в суммирующем режиме. При достижении таймером Т1 значения, равного значению в регистре ICR1, таймер Т1 переключается в вычитающий режим и продолжает счет импульсов от тактового генератора. При достижении значения равного нулю, Т1 снова переключается в суммирующий режим. Формируется так называемая “цифровая пила”. Во время счета импульсов таймером в компараторе Comparator А производится сравнение значений таймера-счетчика и регистра сравнения OCR1A. При равенстве значений Т1 и OCR1A разряд порта OC1A (PIND.5) может переключаться в инверсное состояние.

Если при совпадении значений в суммирующем режиме работы Т1 разряд порта OC1A установился в единичное состояние, а при совпадении значений в вычитающем режиме работы он устанавливается в нулевое состояние, то такой сигнал называют инвертированным ШИМ.

Если при совпадении значений в суммирующем режиме работы Т1 разряд порта OC1A устанавливается в нулевое состояние, при совпадении значений в вычитающем режиме работы он устанавливается в единичное состояние, то такой сигнал называют неинвертированным ШИМ.

На графике а) рисунка 28 приведены импульсы на входе Т1, которые поступают от тактового генератора через делитель частоты; на графике b) представлены значения Т1; импульсы ШИМ представлены графиками c) и d).

Вид сигнала ШИМ инвертированный или неинвертированный устанав-

ливается разрядами СОМ1А1 и СОМ1А0 регистра TCCR1A (таблица 23).

Очевидно, что длительность импульсов может быть изменена изменением значения в регистре совпадения, а частота следования – изменением значения в регистре ICR1. Также очевидно, что длительности импульса, паузы и

Рисунок 28

периода в периодах импульсов на входе Т1:

N_и = 2*(ICR1 – OCR1A); N_п = 2*OCR1A; N_T = 2*ICR1.

Из этих формул можно получить значения регистров OCR1A и ICR1 по заданным значениям параметров сигнала ШИМ в периодах импульсов на входе Т1(N_и и N_п).

OCR1A = N_п /2; ICR1 = (N_и +N _п)/2.

При использовании делителя частоты импульсов на входе таймера Т1, следует учесть коэффициент деления делителя К. С учетом этого расчет значений в регистрах по заданным значениям параметров импульсов в единицах времени следует выполнять по формулам:

OCR1A = t_п / 2*(T _такт *К); ICR1 = (t_и +t _п) / 2*(T _такт *К), где:

T _такт - период тактовой частоты микроконтроллера.

Частота сигнала ШИМ определяется выражением:

F=f_clk / 2*К* ICR1; где:

- f_clk – частота тактового генератора микроконтроллера;

- К – коэффициент деления частоты входного предделителя;

В режиме № 9 работа Т1 аналогична работе в режиме №8, но сравнение значения Т1 производится со значением в регистре OCR1B, модуль счета Т1 определяется регистром OCR1A и импульсы ШИМ формируются на выводе OC1B(PIND.4).

В режимах 8 и 9 по команде загрузки любого из регистров OCR1A, OCR1B или ICR1 новым значением, оно помещается в специальный буферный регистр. В соответствующий регистр сравнения значение помещается из буфера когда Т1=0, а не в момент выполнения команды вывода в регистр. Тем самым отсутствуют искажения как частоты, так и скважности ШИМ-сигнала при изменении его параметров.

Дата добавления: 2015-07-20