Acest laborator are ca scop familiarizarea voastră cu lucrul cu întreruperile hardware generate de timer-ele prezente în microcontroller-ul Atmega328p. Vom folosi timer-ele pentru a număra intervale de timp și pentru a genera semnale periodice. Folosind semnale PWM vom controla intensitatea luminoasă a unui LED și poziția unui servomotor.
Timer-ul/Counter-ul oferă facilitatea de a măsura intervale fixe de timp și de a genera întreruperi la expirarea intervalului măsurat. Un timer, odată inițializat va funcționa independent de unitatea centrală (UCP). Acest lucru permite eliminarea buclelor de delay din programul principal.
Componentele și funcționarea unui timer pentru ATmega328p pot fi descrise în linii mari de cele trei unități din figura de mai jos:
TCNT
are loc o comparație între acest registru și o valoare stocată în registrul OCRn
. Această valoare poate fi încarcată de către programator prin scrierea registrului OCRn
. Dacă are loc egalitatea se generează o întrerupere, în caz contrar incrementarea continuă.Timer-ele sunt prevăzute cu mai multe canale astfel încât se pot desfășura diferite număratori în paralel. ATmega328p este prevăzut cu 3 unități de timer: două de pe 8 biți și una de 16 biți.
Timer-ele pot funcționa și în moduri PWM, astfel încat să genereze pe un pin de ieșire un semnal de comandă cu tensiune (medie) variabilă.
Timer-ele oferă mai multe moduri de funcționare (cu mici diferențe între Timer/Counter0, Timer/Counter1 și Timer/Counter2), ce se diferențiaza prin:
În următorul tabel sunt prezentate două moduri pe care le vom folosi în acest laborator.
Definiții care apar în datasheet:
Timer | Registre | Rol |
---|---|---|
Timer0 8 biți | TCNT0 | Registrul contor al timer-ului 0 (cel care numără) |
TCCR0A , TCCR0B | Registre de control ale timer-ului 0 (diverși biți pentru configurarea timer-ului) | |
OCR0A , OCR0B | Registre prag pentru timer-ul 0 (prag al numărătorii la care se poate declansa intreruperea, în funcție de configurare) | |
TIMSK0 , TIFR0 | Registre cu biți de activare întreruperi timer 0 / flag-uri de activare (activați întreruperile) | |
Timer1 16 biți | TCNT1 | Registrul contor al timer-ului 1 (la fel ca la timer0, doar că pe 16 biți) |
TCCR1A TCCR1B TCCR1C | Registre control ale timer-ului 1 (la fel ca la timer0) | |
OCR1A , OCR1B | Registre prag pe 16 biți ale timer-ului 1 (la fel ca la timer0) | |
TIMSK1 , TIFR1 | (la fel ca la timer0) | |
ICR1 | Registru folosit pentru a reține valoarea contorului la apariția unui eveniment extern pe pin-ul ICP sau ca prag pentru unul din modurile CTC |
|
Timer2 8 biți | aceleași registre ca la Timer0 | Diferența față de Timer-ul 0 este posibilitatea folosirii unui oscilator extern separat pentru Timer-ul 2, pe pinii TOSC1 și TOSC2 |
ASSR , GTCCR | Registre ce țin de funcționarea asicronă a acestui timer față de restul sistemului |
I
din SREG
este setat (întreruperile sunt activate global)
WGM
din timer-ul respectiv (care se găsesc în registrele TCCRnA
din datasheet, la secțiunile aferente timerelor, “Register Description”)
De exemplu, ca să setăm timer-ul 0 să numere până la 5, ne vom uita în datasheet la capitolul 14 (8-bit Timer/Counter0 with PWM) - secțiunea Register Description → TCCR0A
CTC
ca având biții 0 1 0
pe biții WGM2..0
CTC
numără până la OCRA
Presupunând că plecăm de la un registru complet neinițializat (0 este valoarea default pentru majoritatea biților), avem următorul cod:
TCCR0A |= (1 << WGM01); OCR0A = 5;
CS..
din registrul TCCRnB
al timer-ului respectiv.
De exemplu, pentru setarea valorii de prescaler 256 pentru timer-ul 2, vom urmări în datasheet capitolul 17 (8-bit Timer/Counter2 with PWM) - secțiunea Register Description → TCCR2B
CS..
1 1 0
pentru biții CS22 CS21 CS20
Presupunând că plecăm de la un registru complet neinițializat (0 este valoarea default pentru majoritatea biților), avem următorul cod:
TCCR2B |= (1 << CS22) | (1 << CS21);
// exemplu de configurare pentru Timer 1 în mod CTC, care va genera întreruperi cu frecvența de 2Hz OCR1A = 31249; // compare match register 16 MHz/256/2 Hz - 1 TCCR1B |= (1 << WGM12); // CTC mode TCCR1B |= (1 << CS12); // 256 prescaler
De exemplu, pentru întreruperile generate de Timer 1 în mod CTC, codul va arăta în felul următor:
// implementare rutină de tratare a întreruperii TIMER1_COMPA ISR(TIMER1_COMPA_vect) { // cod întrerupere de la Timer1 }
// activare întrerupere TIMER1_COMPA TIMSK1 |= (1 << OCIE1A); // activare întreruperi la nivel global sei();
Pentru un timer deja configurat, pentru a activa întreruperile trebuie doar să activăm bitul corespunzător din TIMSKx
De exemplu, pentru pragul A al timer-ului 1 vom scrie:
ISR(TIMER1_COMPA_vect) { // cod întrerupere } void configure_timer1() { // exemplu de configurare pentru Timer 1 în mod CTC // care va genera întreruperi cu frecvența de 2Hz TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; TCNT1 = 0; OCR1A = 31249; // compare match register 16MHz/256/2Hz-1 TCCR1B |= (1 << WGM12); // CTC mode TCCR1B |= (1 << CS12); // 256 prescaler } void init_timer1() { TIMSK1 |= (1 << OCIE1A); // enable timer compare interrupt } void setup() { // dezactivăm întreruperile globale cli(); configure_timer1(); init_timer1(); // activăm întreruperile globale sei(); } void loop() { }
În general, pentru configurarea unui Timer, este necesară alegerea unui prescaler și a unei limite de numărare, în funcție de perioada dorită și de frecvența de lucru a procesorului (e.g. 16 MHz pentru Arduino UNO) și de modul de funcționare ales. Un exemplu de calcul este prezentat mai jos:
f_int = f_clk / (prescaler * (tc + 1))
tc = f_clk / (prescaler * f_int) - 1
Observăm că trebuie aleasă o valoare convenabilă pentru prescaler (din cele disponibile, ex. 8, 64, 256, 1024) și un prag de numărare (0-255 pentru timer-e pe 8 biți, 0-65535 pentru timer-e pe 16 biți) astfel încât să se obțină frecvența exactă.
Există calculatoare care pot fi utile pentru determinarea rapidă a valorilor pentru registrele de configurare ale unui Timer:
PWM (Pulse Width Modulation) este o tehnică folosită pentru a varia în mod controlat tensiunea dată unui dispozitiv electronic. Având la dispoziție doar două niveluri de tensiune (0V și 5V), putem aproxima alte valori comutând foarte rapid între cele două niveluri.
Tensiunea primită de un dispozitiv reprezintă media acestor pulsuri și este raportul dintre perioada de timp corespunzătoare valorii ON și perioada totală dintr-un ciclu ON-OFF. Aceast raport se numește factor de umplere (duty cycle). Astfel, se pot controla circuite analogice din domeniul digital. Practic, asta înseamnă că un LED acționat astfel se va putea aprinde / stinge gradual, iar în cazul unui motor acesta se va învârti mai repede sau mai încet.
Factorul de umplere se exprimă în procente și reprezintă cât la sută din perioada unui semnal acesta va fi pe nivelul ON. În figura de mai jos, se pot observa semnale PWM cu factori de umplere diferiți. Astfel, se poate deduce foarte ușor formula pentru a obține valoarea factorului de umplere (D):
$D[\%] = \frac{t\_on}{t\_on + t\_off} \cdot 100 = \frac{pulse\_width}{period} \cdot 100$
Astfel, tensiunea medie care ajunge la dispozitiv este dată de relația: D * Vcc.
Modularea folosește variația factorului de umplere a unui semnal dreptunghiular pentru a genera la ieșire o tensiune analogică. Considerând o formă de undă dreptunghiulară f(t) cu o valoare minimă ymin=0 și o valoare maximă ymax și factorul de umplere D (ca în figură) valoarea medie a formei de undă e dată de relația:
$\bar{y} = D \cdot ymax$
Multe circuite digitale pot genera semnale PWM. Majoritatea microcontroller-elor oferă această facilitate, pe care o implementează folosind un numărător care este incrementat periodic (conectat direct sau indirect la o unitate de ceas) și care este resetat la sfârșitul fiecărei perioade a PWM-ului. Când valoarea numărătorului este mai mare decât valoarea de referință, ieșirea PWM (output-ul) trece din starea HIGH în starea LOW (sau invers).
Lucrul cu PWM-ul presupune inițializarea unui timer și configurarea output-ului pe pini. Fiecare timer are doi pini pe care poate genera ca output un astfel de semnal (cele două canale): Timer0 are OC0A
și 0C0B
, Timer1 are OC1A
și OC1B
etc.
Atmega328p dispune de 6 canale de PWM distribuite astfel:
Pe Atmega328p există 3 tipuri de PWM care pot fi generate:
Ne vom ocupa în principal de modul Fast PWM care este utilizat pentru majoritatea aplicațiilor, mai puțin cele în care este nevoie de un control precis (de exemplu motoare BLDC, audio).
Numărarea se face doar pe frontul crescător al semnalului de ceas. În modul Fast PWM, modificarea factorului de umplere se realizează instant, în schimb semnalul nu este centrat (este defazat, practic apare un “glitch” la modificarea semnificativă a factorului de umplere). Există mai multe moduri de Fast PWM oferite de către microcontroller. De exemplu, pentru Timer-ul 1 avem:
\begin{equation} f_{OCnX}=\frac{f_{clk}}{N \cdot (TOP + 1)}=\frac{f_{clk}}{N \cdot 256} \end{equation}
De exemplu, presupunem că avem Timer1 configurat pe modul de funcționare Fast PWM (modul de funcționare nu trebuie neapărat să conțină cuvântul 'PWM' ca să poată fi folosit pentru generarea unui semnal). Fast PWM este caracterizat de o frecvență fixă și un prag stabilit de programator, ce poate fi modificat în timpul execuției.
1 0
pentru biții COM1A1 COM1A0
va lăsa semnalul de pe pinul OC1A
pe 1 în timpul numărătorii (până la atingerea pragului) și va pune semnalul pe 0 de la atingerea pragului până la capătul unui ciclu (numărare completă până la TOP).OCR1A = x * TOP / 100
(pentru Fast PWM, TOP poate fi 0xFF, 0x1FF sau 0x3FF, în funcție de configurația aleasă)Exemplu de inițializare a Timer1 in modul Fast PWM 8-bit non-inverting, cu Prescaler la valoarea 1024:
CCR1A = 0; TCCR1B = 0; TCNT1 = 0; //PB1 output - OC1A este PB1 DDRB |= (1 << PB1); //pentru modul Fast PWM 8-bit, biții WGMn0 si WGMn2 au valoarea 1 TCCR1A |= (1 << WGM10); //TCCR1A conține doar biții WGM10 si WGM11, WGM12 și WGM13 se găsesc in TCCR1B TCCR1B |= (1 << WGM12); //pentru modul non-inverting, COM1A1 = 1 și COM1A0 = 0 TCCR1A |= (1 << COM1A1); //pentru Prescaler de 1024 scriem 1 pe CS12 si CS10 TCCR1B |= (1 << CS12) | (1 << CS10); //Pragul la care se schimbă semnalul pentru a obține un factor de umplere de 0.5 //Deoarece în acest mod TOP este 0xFF, OCR1A va fi 50 * 255 / 100 = 127 OCR1A = 127; sei();
Pentru a controla un LED folosind un semnal PWM, se poate conecta la fel ca în cazul on/off, folosind o rezistență de limitare a curentului. Dacă avem un LED de putere (ex. LED-uri auto, LED-uri pentru iluminare) este necesar un driver specializat.
În cazul unui motor, căruia i se aplică un semnal PWM cu factor de umplere de 0%, viteza de rotație a acestuia va fi egală cu 0 RPM. Un factor de umplere de 100% va duce la o turație maximă a acestuia. Pentru astfel de cazuri în care avem sarcină inductivă și curenți mari (releuri, motoare, inductoare, electrovalve, etc.) este necesară utilizarea unui driver (element de comutație/tranzistor, driver motor, etc.)
Semnalele PWM pot avea și alte utilizări, precum trimiterea de comenzi către un dispozitiv de acționare. Un astfel de exemplu este servomotorul, care primește comenzi determinate de factorul de umplere al semnalului PWM pentru a controla poziția. Servo control
În continuare, ne vom folosi de biblioteca Arduino pentru a realiza niște aplicații ale semnalelor PWM: controlul unui LED RGB și controlul poziției unui servomotor hobby. Alternativ, pentru cei care doresc să aprofundeze modul de programare la nivel de registre, se pot realiza aplicațiile folosind timere în modul Fast PWM și/sau CTC în loc de bibliotecile din Arduino (analogWrite, Servo).
Funcția analogWrite din Arduino, configurează de fapt un timer în modul Fast PWM pe 8 biți și poate genera semnal PWM (doar) pe pinii asociați unuia dintre timere. analogWrite(pin_arduino, value_0_255)
De exemplu, pe Arduino/Atmega328p avem următorii pini care pot genera semnal PWM folosind funcția analogWrite:
Pin Arduino | Pin Atmega328p | Timer output | Frecvența PWM (implicit) |
---|---|---|---|
5 | PD5 | OC0B (Timer0) | 980 Hz |
6 | PD6 | OC0A (Timer0) | 980 Hz |
9 | PB1 | OC1A (Timer1) | 490 Hz |
10 | PB2 | OC1B (Timer1) | 490 Hz |
11 | PB3 | OC2A (Timer2) | 490 Hz |
3 | PD3 | OC2B (Timer2) | 490 Hz |
Este posibil să avem nevoie să modificăm frecvența semnalului PWM, caz în care trebuie să configurăm explicit Timer-ul (ex. prescaler, TOP) folosind registre. SecretsOfArduinoPWM
Folosind Timer 1 de pe Arduino și operațiile cu regiștri, afișați pe interfața serială un mesaj la alegerea voastră o dată la 5 secunde.
Timerul de pe Arduino nu poate cronometra perioade atât de lungi. Veți fi nevoiți să afișați mesajul după un anumit număr de perioade, de lungime aleasă de voi. Ex: perioadă de 0.5s (2Hz), afișăm mesajul la fiecare a doua intrare în funcția asociată întreruperii de timer; perioadă de 0.1s (10Hz), afișăm mesajul la fiecare a 10-a intrare.
Alegerea parametrilor pentru timer pentru setările registrelor:
OCR1A = 31249; // compare match register 16MHz/256/2Hz-1 => 2Hz TCCR1B |= (1 << WGM12); // CTC mode TCCR1B |= (1 << CS12); // 256 prescaler TIMSK1 |= (1 << OCIE1A); // enable timer compare interrupt
Folosind codul de la exercițiul anterior, la fiecare 5 secunde veți alterna între două stări de redare a unei melodii pe buzzer-ul din montaj:
Creșterea unei octave se realizează dublând frecvența notelor. Pentru redarea unei note veți folosi funcția tone(). Urmăriți exemplele de pe acest repository arduino-songs și alegeți o melodie.
Folosind Timer 0, ciclați led-ul RGB între mai multe culori și mișcați servo-motorul câte 10° la fiecare x secunde (alegeți voi o perioadă potrivită pentru urmărirea schimbărilor). Nu uitați de sugestia de la primul task (va trebui să numărați un număr de perioade mult mai scurte decât cea dorită).
La acest task veți afișa diverse culori cu ajutorul PWM-ului și veți controla un servo-motor:
#include <Servo.h> Servo myservo; // create servo object to control a servo // twelve servo objects can be created on most boards int pos = 0; // variable to store the servo position void setup() { myservo.attach(3); // attaches the servo on pin 3 to the servo object // test led DDRD |= (1 << PD7); PORTD &= ~(1 << PD7); } void loop() { for (pos = 0; pos <= 180; pos += 1) { // goes from 0 degrees to 180 degrees // in steps of 1 degree myservo.write(pos); // tell servo to go to position in variable 'pos' delay(15); // waits 15ms for the servo to reach the position } for (pos = 180; pos >= 0; pos -= 1) { // goes from 180 degrees to 0 degrees myservo.write(pos); // tell servo to go to position in variable 'pos' delay(15); // waits 15ms for the servo to reach the position } }
Bonus : modificați programul folosind functia setLedColorHSV()