В уроке познакомимся с таймерами микроконтроллера, научимся конфигурировать их в режиме счетчика и организовывать циклические прерывания.

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок

В предыдущем уроке я рассказывал о выполнении задач параллельными процессами. Для реализации такого способа необходимо формировать циклические прерывания с заданным периодом. Опять же в предыдущем уроке было сказано, что логичнее и проще это делать с помощью аппаратных таймеров.

 

В этом уроке мы будем рассматривать таймеры в качестве именно такого функционального применения. Т.е. будем использовать их для генерации циклических прерываний.

 

Таймеры STM32.

У нашего микроконтроллера STM32F103C8T6 есть 4 таймера:

• TIM1 – расширенный таймер, ориентированный на управление электродвигателем.
• TIM2 … TIM4 – таймеры общего назначения.

Все таймеры имеют одинаковую архитектуру. Расширенный таймер отличается наличием дополнительных аппаратных узлов для формирования противофазных сигналов ШИМ. В результате его можно конфигурировать на работу в режиме 6-канального ШИМ и управлять им тремя полумостовыми усилителями мощности.

Но сейчас нас это не интересует. Для нашей задачи - формирования циклических прерываний, все таймеры имеют одинаковую архитектуру.

Таймеры STM32 - многофункциональные устройства. С помощью каждого из них можно реализовать:

• Счетчик импульсов, а значит и времени с автоматической перезагрузкой.
• Захват входного сигнала (4 канала).
  • Обнаружение фронта входного сигнала, запоминание времени, генерация события.
  • Измерение временных параметров входного ШИМ-сигнала: периода и длительности импульсов.
  • Интерфейс энкодера. Измерение параметров импульсов энкодера.
• Сравнение кодов таймера (4 канала).
  • Генерация события по совпадению кода таймера с заданным значением.
  • Формирование ШИМ-сигнала.
  • Формирование одиночных импульсов, режим одновибратора.

У таймеров большой выбор источников тактирования, есть предделители, обеспечивается цифровая фильтрация входных сигналов, возможна синхронизация между собой и много еще чего.

Но сейчас нас интересует исключительно режим счетчика с перезагрузкой. Именно в этом режиме удобнее всего формировать циклические прерывания.

Функциональная схема таймера достаточно сложная. Я выделил только необходимую нам часть.

Собственно отсчет импульсов или времени происходит на 16-ти разрядном счетчике CNT. Когда код счетчика достигает значения регистра перезагрузки, счетчик сбрасывается в 0. Таким образом, счетчик считает по циклу от 0 до значения регистра перезагрузки.

Частота сигнала тактирования таймера может быть уменьшена с помощью 16-ти разрядного предделителя PSC.

Перезагрузка счетчика формирует событие (прерывание). Частота его появления также может быть уменьшена счетчиком повторов (8 разрядов). Коэффициент деления задается в регистре повторов.

Код счетчика используется другими узлами таймера, например, для формирования ШИМ. Но об этом в других уроках.

В качестве источника тактирования могут быть выбраны:

• Внутренние синхросигналы шин APB1 иAPB2, про которые мы говорили в уроке 5 (система тактирования микроконтроллера).
  • Для таймера TIM1 используется синхросигнал шины APB2;
  • Для таймеровTIM2- TIM4 используется синхросигнал шины APB1.
• Внешнее тактирование, режим 1. Используется выходной сигнал другого таймера или внешний сигнал входов захвата.
• Внешнее тактирование, режим 2.  Используется вывод микроконтроллера ETR.
• Особый режим синхронизации – интерфейс подключения энкодера.

Сейчас мы будем использовать только внутренний источник тактирования.

 

Режимы счета таймера.

При использовании таймера в качестве счетчика импульсов можно выбрать один из режимов:

• прямой счет;
• обратный счет;
• двунаправленный.

При прямом счете содержимое счетчика с каждым импульсом тактирования увеличивается на 1. Когда оно достигает значения регистра перезагрузки, то счетчик сбрасывается. Таким образом,таймер считает по циклу от 0 до значения перезагрузки. В момент перезагрузки формируется прерывание.

В режиме обратного (реверсивного) счета с каждым входным импульсом содержимое счетчика уменьшается на 1. При достижении 0 в счетчик загружается значение регистра перезагрузки и реверсивный счет продолжается. Таймер считает по циклу от значения перезагрузки до 0. В момент перезагрузки формируется прерывание.

Двунаправленный режим означает, что счетчик считает в прямом направлении от 0 до значения перезагрузки, а затем переходит в реверсивный режим и счет ведется до 0. При изменении направления счета и сбросе генерируется прерывание.

 

Установка конфигурации таймера с помощью STM32CubeMX.

Давайте научимся конфигурировать таймеры через STM32CubeMX. Заодно в строгой форме перечислим регистры, задающие режимы таймера и  выясним, что конкретно в них загружать.

Создадим проект Lesson16_1. Настроим конфигурацию системы тактирования. Обратим внимание на то, что частота тактирования таймеров на шинах APB1 и APB2 задана 72 мГц.

Настроим выводы:

• PC13 – активный выход;
• PB13 – активный выход;
• PB12 – вход с подтягивающим резистором.

Теперь будем конфигурировать таймер 1. В нашем микроконтроллере он самый многофункциональный.

Открываем вкладку Timers ->TIM1.

Выбираем в качестве источника тактирования внутреннее тактирование: Clock Source -> Internal Clock.

Ниже появилось поле Parameter Settings.

Давайте подробно разберем, что в нем.

Prescaler (PSC).

Это регистр предделителя. Предделитель делит частоту тактирования таймера, поступающую на основной счетчик. По сути, он, вместе с входной частотой,  определяет разрешающую способность таймера.

Счетчик предделителя считает входные импульсы от 0 до значения этого регистра. При равенстве кода счетчика и регистра счетчик сбрасывается и начинает считать заново. В момент сброса формируется импульс тактирования основного счетчика таймера. Таким образом, значение регистра предделителя определяет коэффициент деления частоты входного сигнала.

Счетчик и регистр предделителя 16-ти разрядные. Т.е. максимальный коэффициент деления 65536.

Надо помнить, что реальный коэффициент деления на 1 больше, чем значение регистра предделителя. Например:

Значение регистра предделителя	Коэффициент деления
0	1
999	1000
65535 (максимальное значение)	65536

Регистр предделителя имеет буферный регистр. Поэтому его значение можно устанавливать в любой момент. Реальное изменение коэффициента деления произойдет при перезагрузке буферного регистра в момент перезагрузки основного счетчика таймера.

Counter mode.

Режим счетчика, определяет в какую сторону считать.

• Up – прямой счет.
• Down – реверсивный счет.
• Center Aligned mode 1 – двунаправленный счет, прерывание генерируется в момент, когда счетчик считает в обратную сторону и доходит до 0.
• Center Aligned mode 2 – двунаправленный счет, прерывание генерируется, когда счетчик считает в прямом направлении и достигает значения перезагрузки.
• Center Aligned mode 3 – двунаправленный счет, прерывание генерируется, в обоих случаях - при достижении 0 и значения перезагрузки.

Counter Period (Auto Reload Register).

Регистр перезагрузки. Его значение задает период работы таймера. Конечно, на время периода влияет еще режим счета.

Счетчик 16-ти разрядный. Значит, для однонаправленного счета период может длиться от 1 до 65536 длительностей импульсов предделителя. Реальная длительность периода на 1 больше значения регистра перезагрузки. Все как для регистра предделителя.

Internal Clock Division (CKD).

Делитель входной частоты для внутренних нужд таймера.

Частота используется при фильтрации внешних сигналов, формировании “мертвого времени” ШИМ и т.п. Сейчас это нам не интересно.

Repetition Counter (RCR).

Регистр счетчика повторов. Присутствует не во всех таймерах. Счетчик повторов считает импульсы событий на выходе таймера и при достижении значения регистра повторов сбрасывается и формирует реальное событие. Т.е. он делит частоту генерации событий (прерываний) таймера.

Счетчик 8-ми разрядный. Коэффициент деления на 1 больше значения регистра повторов и может быть в диапазоне 1 - 256. Регистр буферизирован, можно изменять его значения в любой момент.

Auto-reload preload.

Регистр перезагрузки буферизирован. Разработчики микроконтроллера предоставляют программисту выбор - при записи значения перезагрузки передавать его в регистр моментально или дождаться крайнего состояния счетчика.

Управляет режимом перезагрузки специальный бит, а в STM32CubeMX выбор делается в выпадающем меню.

Вкладка NVIC Settings позволяет выбрать нужный тип прерывания, связанного с таймером.

 

Пример конфигурации таймера и реализации программы.

Сделаем практическую задачу. Установим конфигурацию таймера 1, обеспечивающую циклические прерывания с периодом 0,5 секунд. В обработчике прерывания будем инвертировать состояние светодиода. В результате получим мигающий светодиод, но с использованием таймера и прерывания.

Частота тактирования у нас 72 мГц. Превратим ее с помощью предделителя в круглое значение.

Например, если задать 720 – 1 = 719, то частота после предделителя будет 72 000 000 / 720 = 100 000 Гц, или период 10 мкс.

Если в регистр перезагрузки задать значение 50 000, то получим требуемый период 0,5 секунд.

Во вкладке NVIC Settings выберем прерывание по перезагрузке счетчика.

Создаем проект и открываем его в Atollic TrueStudio.

В папке Src проекта создан файл stm32f1xx_it.c. Он существовал и во всех предыдущих проектах. Просто мы на него до времени не обращали внимания.

Это файл обработчиков прерываний. Хороший стиль размещать функции обработки прерываний в нем.

В самом конце файла появилась функция:

void TIM1_UP_IRQHandler(void) {

    /* USER CODE BEGIN TIM1_UP_IRQn 0 */
    /* USER CODE END TIM1_UP_IRQn 0 */

    HAL_TIM_IRQHandler(&htim1);

    /* USER CODE BEGIN TIM1_UP_IRQn 1 */
    /* USER CODE END TIM1_UP_IRQn 1 */
}

Это и есть обработчик прерывания таймера 1. Код, который мы поместим в функцию, будет вызываться с периодом 0,5 секунд.

Вызовем в обработчике прерывания функции инверсии состояния для обоих светодиодов.

void TIM1_UP_IRQHandler(void) {

    /* USER CODE BEGIN TIM1_UP_IRQn 0 */

    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_13);

Мы установили конфигурацию таймера, но не запустили его. Сделаем это HAL-функцией в файле main.c.

/* Initialize all configured peripherals */

MX_GPIO_Init();
MX_TIM1_Init();

/* USER CODE BEGIN 2 */

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1); // запуск таймера

Функция запускает таймер в режиме генерации прерываний.

Все. Компилируем, загружаем, проверяем. Оба светодиода мигают раз в секунду.

Полностью проект можно загрузить по ссылке:

 

 

Основной цикл у нас пустой. Программа просто крутится в нем.

while (1) {

    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
}

По отношению к нему светодиоды мигают в фоновом режиме, сами по себе. Если мы будем выполнять в цикле какие-либо действия, это никак не скажется на равномерном мигании светодиодов. Единственное условие – надолго не запрещать прерывания.

 

В следующем уроке будем разрабатывать программу, обрабатывающую сигнал кнопки параллельным процессом. Научимся связывать переменные разных файлов одной программы. Разберемся в специфике использования функций обработки прерываний.

 

Предыдущий урок     Список уроков     Следующий урок