Таймеры-счётчики AVR

Как устроен таймер

Счётчик TCNTn считает импульсы clk_T — частоту ввода-вывода, поделённую предделителем, или внешние импульсы на входе Tn. Регистры сравнения OCRnA и OCRnB постоянно сравниваются со счётчиком; при совпадении устанавливается флаг OCFnx, может вызываться прерывание и меняться состояние вывода OCnx. Флаг TOVn ставится при переполнении. Максимальное значение счётчика называется MAX (0xFF или 0xFFFF), нижнее — BOTTOM (0), а TOP — значение, на котором счёт поворачивает или сбрасывается: в зависимости от режима это MAX, фиксированное 0x00FF, 0x01FF, 0x03FF или содержимое регистра OCRnA или ICR1.

Режим работы задают биты WGMn — генерации сигнала, а поведение вывода — биты COMnx1:0: в режимах без ШИМ вывод по совпадению устанавливается, сбрасывается или переключается, в режимах ШИМ — неинвертирующий (COMnx = 10) или инвертирующий (11) сигнал. Сигнал попадает на вывод, только если тот настроен на выход в DDRx.

Предделитель

Timer0 и Timer1 делят один предделитель, а у Timer2 свой, с дополнительными коэффициентами 32 и 128 (таблицы 15-9, 16-5 и 18-9). Таймер запускается записью ненулевого кода в CSn2:0.

Режимы Timer0 и Timer2

Режимы 4 и 6 зарезервированы (таблица 15-8, у Timer2 — 18-8 с теми же кодами). В режимах 5 и 7 TOP задаёт OCRnA, поэтому частота ШИМ настраивается, но ШИМ с регулируемой скважностью остаётся только у канала B, а вывод OCnA может лишь переключаться по совпадению.

• Normal — счёт от 0 до 0xFF с переполнением; время отмеряют прерыванием по переполнению или по совпадению с OCRnx.
• CTC — счётчик сбрасывается при совпадении с OCRnA, период задаётся точно. Переключение вывода OCnA при каждом совпадении (COMnA = 01) даёт меандр с частотой f_clk / (2 · N · (1 + OCRnA)), до f_clk / 2 при OCRnA = 0. Регистр OCRnA здесь не буферизован: если записать значение меньше текущего TCNTn, совпадение пропустится и счётчик дойдёт до 0xFF.
• Fast PWM — однонаклонный счёт от BOTTOM до TOP. Частота f_clk / (N · 256) при TOP = 0xFF; при 16 МГц и N = 64 это 976,6 Гц — частота ШИМ Arduino на выводах 5 и 6.
• Phase Correct PWM — счёт вверх и вниз, частота вдвое ниже: f_clk / (N · 510) при TOP = 0xFF, но импульс симметричен относительно середины периода, что предпочтительно для управления двигателями.

Timer1: 16 бит и 15 режимов

Режим 13 зарезервирован (таблица 16-4). Биты WGM11:10 находятся в TCCR1A, WGM13:12 — в TCCR1B. Для ШИМ с произвольной частотой удобнее всего режим 14: период задаёт ICR1, а оба канала OC1A и OC1B свободны для скважности. Phase and Frequency Correct отличается от Phase Correct тем, что новые OCR1x и TOP применяются в нижней точке счёта — период и импульс остаются симметричными даже при смене частоты на ходу.

Регистры TCNT1, OCR1A/B и ICR1 16-битные, а шина данных 8-битная, поэтому обращение к ним идёт через общий временный регистр: при записи сначала старший байт, затем младший, при чтении — наоборот, сначала младший (раздел 16.3). Компилятор C соблюдает этот порядок сам; если 16-битный регистр трогают и основная программа, и прерывание, доступ в основной программе делают при запрещённых прерываниях.

Захват

Блок захвата копирует TCNT1 в ICR1 по фронту или спаду на выводе ICP1 (выбирает бит ICES1) и ставит флаг ICF1. Так измеряют период и длительность импульсов: разность двух захваченных значений, умноженная на период clk_T, — это время между событиями. Бит ICNC1 включает подавитель шума: событие засчитывается после четырёх одинаковых выборок подряд, ценой задержки на четыре такта. Пока ICR1 используется как TOP (режимы 8, 10, 12, 14), захват недоступен.

Timer2 и часовой кварц

Timer2 устроен как Timer0, но может считать от отдельного генератора на выводах TOSC1 и TOSC2 с кварцем 32,768 кГц — для этого устанавливают бит AS2 в регистре ASSR. Тогда таймер работает и в режиме Power-save, отсчитывая время, пока кристалл спит, — получаются часы реального времени с током около микроампера (подробности — в статье о режимах сна AVR). Частота ядра при этом должна быть больше учетверённой частоты кварца.

В асинхронном режиме запись в TCNT2, OCR2x и TCCR2x попадает сначала во временный регистр и переносится в рабочий через два фронта TOSC1; о завершении переноса говорят биты TCN2UB, OCR2xUB и TCR2xUB в ASSR. Перед засыпанием после такой записи нужно дождаться сброса этих битов, иначе прерывание по совпадению может не прийти и кристалл не проснётся (раздел 18.9). При переключении между синхронным и асинхронным тактированием регистры таймера могут испортиться — их перезаписывают после смены AS2.

Примеры на C

Прерывание раз в 1 мс на Timer1 в режиме CTC при 16 МГц: N = 8, OCR1A = 16 000 000 / (8 · 1000) − 1 = 1999.

#include <avr/interrupt.h>
#include <avr/io.h>

volatile uint32_t ms;

ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
    ms++;
}

void timer1_1ms(void)
{
    TCCR1A = 0;
    TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << CS11);   /* CTC (mode 4), clk/8 */
    OCR1A = 1999;
    TIMSK1 = (1 << OCIE1A);
    sei();
}

ШИМ 20 кГц на OC1A (PB1) в режиме 14: TOP = ICR1 = 16 000 000 / (1 · 20 000) − 1 = 799. В неинвертирующем Fast PWM выход находится в единице OCR1A + 1 тактов — недаром при OCR1A = 0 даташит описывает узкий импульс длиной в один такт, — поэтому для скважности 25 % OCR1A = 800 · 0,25 − 1 = 199.

void pwm_20khz(void)
{
    DDRB |= (1 << PB1);                                   /* OC1A as output */
    ICR1 = 799;                                           /* 20 kHz at 16 MHz */
    OCR1A = 199;                                          /* (199 + 1) / 800 = 25 % */
    TCCR1A = (1 << COM1A1) | (1 << WGM11);                /* non-inverting, mode 14 */
    TCCR1B = (1 << WGM13) | (1 << WGM12) | (1 << CS10);   /* clk/1 */
}

Сигнал для сервопривода — 50 Гц, импульс 1–2 мс — в том же режиме 14 с N = 8: такт таймера 0,5 мкс, ICR1 = 16 000 000 / (8 · 50) − 1 = 39 999, а импульс 1,5 мс — это 3000 тактов, то есть OCR1A = 2999.

void servo_50hz(void)
{
    DDRB |= (1 << PB1);
    ICR1 = 39999;                                         /* 20 ms period */
    OCR1A = 2999;                                         /* 1.5 ms pulse, center */
    TCCR1A = (1 << COM1A1) | (1 << WGM11);
    TCCR1B = (1 << WGM13) | (1 << WGM12) | (1 << CS11);   /* clk/8 */
}

Таймеры других AVR устроены так же, но число таймеров, каналов и их выводы различаются — их перечисляют страницы кристаллов в разделе AVR, например ATmega328P. Общие формулы ШИМ без привязки к микроконтроллеру — в калькуляторе ШИМ.