Калькулятор таймера AVR и STM32

Формулы

Для ATmega328P в режиме CTC (сброс по совпадению) и в Fast PWM с регистром периода:

где N — предделитель, TOP — значение OCRnA (или ICR1 у Timer1), f_OCnA — частота меандра на выводе OCnA, когда вывод переключается при каждом совпадении. У Timer0 и Timer1 предделители 1, 8, 64, 256 и 1024, у Timer2 добавлены 32 и 128.

Для таймера STM32 событие обновления происходит каждые (PSC + 1) · (ARR + 1) тактов:

PSC и ARR 16-битные; у TIM2 и TIM5 во многих семействах ARR 32-битный.

Как выбирается предделитель

Калькулятор перебирает предделители и для каждого находит ближайшее значение регистра периода. Из вариантов с наименьшей ошибкой выбирается тот, где предделитель меньше: регистр периода тогда больше, а значит, у ШИМ больше шагов скважности. Остальные варианты показаны списком — иногда удобнее «круглый» отсчёт, например 1 МГц.

Пример: несущая 38 кГц для ИК-передатчика на выводе OC2A ATmega328P при 16 МГц. Меандр на выводе вдвое медленнее событий, поэтому нужна частота событий 76 кГц: предделитель 1, OCR2A = 210, на выводе получится 37 915 Гц — на 0,22 % ниже 38 кГц, что приёмники ИК-сигналов допускают.

Тактирование таймеров STM32

Частоту f_TIM берите из настройки тактирования, а не из частоты ядра. Если делитель шины APB, к которой подключён таймер, больше 1, таймеры этой шины тактируются удвоенной частотой шины. У STM32F103 на 72 МГц шина APB1 работает на 36 МГц, а TIM2–TIM4 — на 72 МГц.

Селектор «Таймер из атласа» подставляет частоты таймеров STM32F103 и STM32F407 при обычной максимальной настройке тактирования: у F103 все таймеры получают 72 МГц, у F407 таймеры на шине APB2 (TIM1, TIM8–TIM11) — 168 МГц, на APB1 — 84 МГц, причём у TIM2 и TIM5 регистр ARR 32-битный (таблица 4 даташитов DS5319 и DS8626).

Все поля регистров таймера — PSC, ARR, режимы каналов в CCMR, ШИМ, захват, энкодер — разобраны на страницах регистров таймеров STM32F1 и STM32F4.

Мёртвое время TIM1 и TIM8

У расширенных таймеров TIM1 и TIM8 каналы 1–3 имеют комплементарные выходы CHxN для полумоста. Между выключением одного ключа и включением другого таймер выдерживает мёртвое время, которое задаёт поле DTG[7:0] регистра BDTR в периодах t_DTS (RM0008, 14.4.18):

Период t_DTS — такт таймера, умноженный на 1, 2 или 4 по полю CKD регистра CR1, наибольшее мёртвое время — 1008 · t_DTS. Пример RM0008 для t_DTS = 125 нс: 0–15 875 нс с шагом 125 нс, 16–31,75 мкс с шагом 250 нс, 32–63 мкс с шагом 1 мкс и 64–126 мкс с шагом 2 мкс — он служит эталоном тестов калькулятора.

Калькулятор выбирает наименьшее DTG, при котором мёртвое время не короче заданного: для силовых ключей короткая пауза опаснее длинной. Макрос __LL_TIM_CALC_DEADTIME из драйвера LL STM32Cube отбрасывает дробную часть и может дать значение на шаг меньше — если результаты расходятся, калькулятор это показывает. Подробнее о комплементарных выходах, BRK и MOE — в статье о таймерах STM32.

Энкодер

В режиме энкодера таймер считает фронты двух сигналов A и B, подключённых к входам TI1 и TI2, а направление определяет по их порядку (RM0008, раздел 14.3.16 и таблица 81). В режимах 1 и 2 считаются фронты одного входа — 2 отсчёта на период сигнала, в режиме 3 (SMS = 011) — фронты обоих, 4 отсчёта. Энкодер с N периодами на оборот даёт 2N или 4N отсчётов; если записать в ARR число отсчётов на оборот минус 1, счётчик будет проходить ровно круг за оборот.

Калькулятор показывает частоту сигналов на входах при наибольшей скорости и время, за которое счётчик проходит круг 0…ARR. Если читать CNT реже, чем за половину этого круга, по разности двух отсчётов уже нельзя однозначно понять, в какую сторону и на сколько повернулся вал.

Пример для ATmega328P

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

volatile uint32_t ms_ticks;

ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
    ms_ticks++;                        /* called every 1 ms */
}

int main(void)
{
    TCCR1A = 0;
    TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << CS11);   /* CTC, clk/8 */
    OCR1A = 1999;                          /* 16 MHz / 8 / 2000 = 1 kHz */
    TIMSK1 = (1 << OCIE1A);
    sei();
    for (;;) {
    }
}

Типичные ошибки

• Забыли глобально разрешить прерывания (sei()): таймер считает, флаг совпадения ставится, но обработчик не вызывается.
• Заняли таймер Arduino. Timer0 используют millis() и delay(), Timer1 — библиотека Servo, Timer2 — tone(). Перенастройка ломает эти функции.
• Не тот режим. В обычном режиме (Normal) счётчик досчитывает до максимума, и OCRnA задаёт только момент совпадения, а не период.
• Неверная частота таймера STM32 из-за удвоения на шине APB — частота получается вдвое выше или ниже ожидаемой.
• Ошибка частоты из-за кварца. Расчёт точен настолько, насколько точна тактовая частота; на внутреннем RC-генераторе ошибка доходит до процентов. Подбор конденсаторов для кварца — в калькуляторе конденсаторов для кварца, скорость UART — в калькуляторе скорости UART.