Рудякова А.Н., Липинский А.Ю., Данилов В.В., Рудяков И.Ю. Аппаратно-программные средства встраиваемых компьютерных систем
Подождите немного. Документ загружается.
Средства реализации заданных
временных параметров встраиваемых систем
101
использовать прерывание по переполнению таймера, при возникновении
которого флаг TOV0 сбрасывается автоматически. Для нормального режима
работы не существует каких-либо особых ситуаций связанных с записью
нового состояния счетчика, когда требовалось бы учесть меры
предосторожности.
Блок сравнения может использоваться для генерации прерываний. Не
рекомендуется использовать выход OC0 для генерации сигналов в
нормальном режиме работы
, т.к. в этом случае будет затрачена значительная
часть процессорного времени.
В режим
сброса таймера при совпадении (CTC) при WGM01, WGM00
=
0b10, регистр OCR0 используется для задания разрешающей способности
счетчика. Если задан режим CTC и значение счетчика (TCNT0) совпадает со
значением регистра OCR0, то счетчик обнуляется (TCNT0=0). Таким
образом, OCR0 задает вершину счета счетчика, а, следовательно, и его
разрешающую способность. В данном режиме обеспечивается более
широкий диапазон регулировки частоты генерируемых прямоугольных
импульсов. Он также упрощает работу счетчика внешних
событий.
Временная диаграмма для режима СТС показана на рисунке 3.5.
Значение счетчика (TCNT0) инкрементируется до тех пор, пока оно не станет
равным значению в OCR0, после чего счетчик (TCNT0) обнулится.
Рис. 3.5
Глава 3
102
С помощью флага OCF0 прерывание может генерироваться всякий раз,
когда счетчик достигает своего верхнего предела счета. Если работа
прерывания разрешена, то процедура обработки прерывания может
использоваться для обновления значения вершины счета. Однако, задание
значения вершины счета близкого к значению нижнего предела счета, когда
счетчик работает без предделения или с малым значением предделения
,
необходимо выполнять с особой осторожностью, т.к. в режиме СТС нет
двойной буферизации. Если значение, записанное в OCR0, меньше текущего
значения TCNT0, то сброс счетчика по условию совпадения наступит, когда
он достигнет максимального значения (0xFF), затем перейдет в исходное
состояние 0x00 и достигнет нового значения OCR0.
Для генерации сигнала в режиме CTC выход компаратора OC0 может
использоваться
для изменения логического уровня при каждом совпадении,
для чего необходимо задать режим переключения (COM01, COM00 = 0b01).
Значение OC0 будет присутствовать на выводе порта, только если для
данного вывода задано выходное направление. Максимальная частота
генерируемого сигнала равна f
OC0
= f
clk_I/O/2
, если OCR0 = 0x00. Для других
значений OCR0 частоту генерируемого сигнала можно определить по
формуле:
где переменная N задает коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64,
128, 256 или 1024).
Также как и для нормального режима работы, флаг TOV0
устанавливается на том же такте таймера, когда его значение изменяется с
0xFF на 0x00.
Режим быстрой широтно-импульсной модуляции (WGM01, WGM00
= 0b11) позволяет генерировать высокочастотные ШИМ-сигналы. От других
режимов ШИМ данный отличается однонаправленностью счета. Счетчик
изменяет свое значение в направлении от нижнего предела до максимального
Средства реализации заданных
временных параметров встраиваемых систем
103
значения (0xFF), а затем перезагружается значением нижнего предела и счет
продолжается снова до максимального значения. Если задан
неинвертирующий режим выхода, то при совпадении TCNT0 и OCR0 сигнал
OC0 сбрасывается, а при достижении нижнего предела счета
устанавливается. Если задан инвертирующий режим, то выход OC0
устанавливается при совпадении и сбрасывается на нижнем пределе счета. За
счет однонаправленности
счета, рабочая частота для данного режима в два
раза выше по сравнению с режимом ШИМ с фазовой коррекцией, где
используется двунаправленный счет. Возможность генерации
высокочастотных ШИМ сигналов делает использование данного режима
полезным в задачах стабилизации питания, выпрямления и цифро-
аналогового преобразования. Высокая частота, при этом, позволяет
использовать внешние элементы физически малых
размеров (индуктивности,
конденсаторы), тем самым снижая общую стоимость системы.
В режиме быстрой ШИМ содержимое счетчика инкрементируется пока
не достигнет максимального значения (0xFF). Следующим тактовым
импульсом счетчик сброситься. Временная диаграмма для режима быстрой
ШИМ показана на рис. 3.6. Значение TCNT0 на временной диаграмме
показано в виде графика функции для иллюстрации однонаправленности
счета. На диаграмме
показаны как инвертированный, так и
неинвертированный ШИМ-выходы. Короткой горизонтальной линией
показаны точки на графике TCNT0, где совпадают значения OCR0 и TCNT0.
Глава 3
104
Рис. 3.6
Флаг переполнения таймер-счетчика TOV0 устанавливается каждый раз,
когда счетчик достигает своего максимального значения (0xFF). Если
прерывание разрешено, то процедура обработки прерывания может
использоваться для обновления сравниваемого значения.
В режиме быстрой ШИМ блок сравнения позволяет генерировать ШИМ-
сигналы на выводе OC0. Если COM01:0=0b10, то выходной ШИМ-сигнал не
инвертируется, а если COM01:0=0b11, то инвертируется
(см. таблицу 54).
Фактическое значение OC0 будет присутствовать на выводе порта, если для
данного вывода задано выходное направление. ШИМ-сигнал генерируется
путем установки (или сброса) сигнала OC0 при совпадении значений OCR0 и
TCNT0 и сброса (или установки) сигнала OC0, если счетчик сбрасывается
(состояние счетчика изменяется с максимального значения на нижний предел
счета).
Частота выходного ШИМ-
сигнала может быть вычислена по
следующему выражению:
Средства реализации заданных
временных параметров встраиваемых систем
105
где N - переменная, которая задает значение коэффициента предделения (1, 8,
32, 64, 128, 256 или 1024).
Задание предельных значений регистра OCR0 связано с особыми
случаями в генерации ШИМ-сигнала в режиме быстрой ШИМ. Если в
регистр OCR0 записать значение равное нижнему пределу счета, то через
каждые 256 тактов синхронизации таймера на выходе будет генерироваться
импульс короткой длительности. Если установить значение OCR0 равным
максимальному значению, то выход будет иметь постоянный логический
уровень 1 или 0 (зависит от заданного режима выхода битами COM01:0).
Генерация меандра (50%-ое заполнение импульсов) в данном режиме
возможна, если задать режим переключения (инвертирование состояния)
выхода OC0 при каждом совпадении (COM01, COM00 = 0b01). Если в
регистр OCR0 записать ноль, то будет генерироваться максимальная частота
f
oc0
= f
clk_I/O
/2. Данная функция похожа на переключение OC0 в режиме CTC
за исключением того, что в режиме быстрой ШИМ работает двойная
буферизация в блоке сравнения.
Режим широтно-импульсной модуляции с фазовой коррекцией
(ШИМ ФК), WGM01, WGM00 = 0b01, позволяет выполнять фазовую
коррекцию ШИМ-сигнала с высокой разрешающей способностью. Режим
ШИМ ФК основан на двунаправленной работе таймера-счетчика. Счетчик
циклически выполняет счет в направлении от нижнего предела до
максимального значения, а затем обратно от максимального значения к
нижнему пределу. Если задан неинвертирующий режим выхода компаратора,
то выход
OC0 сбрасывается/устанавливается при совпадении значений
TCNT0 и OCR0 во время прямого/обратного счета. Если задан
инвертирующий режим выхода, то, наоборот, во время прямого счета
происходит установка, а во время обратного - сброс выхода OC0. При
двунаправленной работе максимальная частота ШИМ-сигнала меньше, чем
при однонаправленной работе, однако, за счет такой особенности, как
симметричность в
режимах ШИМ с двунаправленной работой, данные
Глава 3
106
режимы предпочитают использовать при решении задач управления
приводами.
Разрешающая способность ШИМ для данного режима фиксирована и
равна 8 бит. В режиме ШИМ ФК счетчик инкрементирует свое состояние до
достижения максимального значения (0xFF), после чего счетчик
реверсируется. Значение TCNT0 остается равным максимальному значению в
течение одного такта синхронизации таймера. На рис. 3.7 показана временная
диаграмма работы
таймера-счетчика для режима ШИМ ФК. Значение TCNT0
представлено в виде графика для иллюстрации двунаправленности работы
счетчика. На рисунке представлены как неинвертированный, так и
инвертированный ШИМ-выходы. Короткие горизонтальные линии
указывают точки на графике изменения TCNT0, где совпадают значения
OCR0 и TCNT0.
Рис. 3.7
Флаг переполнения таймера-счетчика (TOV0) устанавливается при
достижении счетчиком нижнего предела и может использоваться для
Средства реализации заданных
временных параметров встраиваемых систем
107
генерации прерывания.
В режиме ШИМ ФК блок сравнения позволяет генерировать ШИМ-
сигналы на выводе OC0. Установка бит COM01,COM00 = 0b10 соответствует
неинвертированному режиму генерации ШИМ-сигнала, а COM01, COM00 =
0b11 - инвертированному. Фактическое значение OC0 будет присутствовать
на соответствующем выводе порта, если для него задано выходное
направление. ШИМ-сигнал генерируется путем сброса (установки) сигнала
OC0 при совпадении OCR0 и TCNT0 во время
прямого счета и путем
установки (сброса) сигнала OC0 при совпадении OCR0 и TCNT0 во время
обратного счета. Результирующая частота ШИМ-сигнала в режиме ШИМ ФК
может быть вычислена по следующему выражению:
где N - коэффициент деления предделителя (1, 8, 32, 64, 128, 256 или 1024).
Задание предельных значений регистра OCR0 связано с особыми
случаями генерации ШИМ-сигнала в режиме ШИМ ФК. Если значение
OCR0 установить равным нижнему пределу, то выход будет постоянно иметь
низкий уровень, а если установить равным максимальному значению (0xFF),
то выход будет постоянно находиться в высоком состоянии, если задан
неинвертирующий
режим. Инвертирующему режиму соответствуют
противоположные указанным логические уровни.
В самом начале периода 2 на рис. 3.7 сигнал OC0 переходит из 1 в 0
даже при том, что нет совпадения. Точка этого перехода гарантирует
симметричность относительно нижней границы счета. Имеется два случая, в
которых изменение логического состояния выхода не зависит от
возникновения совпадения:
- OCR0 изменяет свое значение
с максимального (0xFF) на другое
(неравное 0xFF) (см. рис. 40). Если значение OCR0 равно максимальному, то
вывод OC0 останется на прежнем уровне как результат совпадения во время
обратного счета. Для гарантирования симметричности относительного
Глава 3
108
нижнего предела (0x00) значение OC0 при максимальном значении счетчика
должно соответствовать результату совпадении при прямом счете.
- Таймер начинает счет с большего значения по сравнению с OCR0 и по
этой причине не возникает совпадение и, следовательно, изменение OC0,
которое должно было возникнуть во время прямого счета.
На рис. 3.8 представлена временная диаграмма работы таймер-счетчика
0 без
предделения, при этом, тактовый сигнал таймера (clk
T0
) показан как
сигнал разрешения синхронизации. Счетная последовательность показана в
области максимального значения счетчика (0xFF). На рис. 3.9 – 3.11
показаны аналогичные временные диаграммы, но с разрешенным
предделением тактового сигнала. На рисунках также иллюстрируются
моменты установки флагов прерываний, в т.ч. флаг OCF0 для всех режимов,
кроме CTC(рис. 3.10), и для режима СТС (рис. 3.11). На рис. 3.11 также
показан момент сброса таймера-счетчика TCNT0.
Представленные диаграммы соответствуют синхронному по отношению
к системной частоте режиму тактирования таймера-счетчика. Однако, они
будут полностью соответствовать асинхронному режиму работы, если
заменить clkI/O на сигнал генератора таймера-счетчика.
Рис. 3.8
Средства реализации заданных
временных параметров встраиваемых систем
109
Рис. 3.9
Рис. 3.10
Рис. 3.11
Глава 3
110
Регистры 8-битного таймера-счетчика 0:
Регистр управления таймером-счетчиком 0 - TCCR0:
Разряд 7 6 5 4 3 2 1 0
Название бита FOC0 WGM00 COM01 COM00 WGM01 CS02 CS01 CS00
Чтение/запись Чт. Чт./
Зп.
Чт./
Зп.
Чт./
Зп.
Чт./
Зп.
Чт./
Зп.
Чт./
Зп.
Чт./
Зп.
Нач. значение 0 0 0 0 0 0 0 0
Разряд 7 - FOC0: Принудительная установка результата сравнения.
Функция бита FOC0 активна только, если с помощью бит WGM задан
один из режимов, где нет широтно-импульсной модуляции. Однако в целях
совместимости с последующими микроконтроллерами рекомендуется во
время записи в регистр TCCR0 в позиции данного бита указывать лог. 0, если
таймер работает в одном из режимов с широтно-
импульсной модуляцией.
Если записать лог. 1 в бит FOC0, то это приводит к принудительной
установке результата сравнения на входе блока формирования выходного
сигнала. Выход OC0 изменяется в соответствии с установками бит COM01,
COM00. Следовательно, значение записанное в COM01, COM00 определяет
эффект действия принудительной установки результата сравнения, бит FOC0
является стробирующим. Строб FOC0 не генерирует каких-либо прерываний,
а также
не вызывает сброс таймера в режиме СТС, где регистр OCR0 задает
верхний предел счета. Бит FOC0 всегда считывается как 0.
Разряд 6, 3 - WGM01:0: Режим работы таймера-счетчика 0.
Данные биты определяют алгоритм счета счетчика, источник, который
задает верхний предел счета и тип генерируемых прямоугольных импульсов.
Данным таймером поддерживаются следующие режимы работы: нормальный
режим, режим сброса при совпадении
и два режима с широтно-импульсной
модуляцией. В табл. 3.3 представлены режимы работы таймера-счетчика 0.
Таблица 3.3 –
Описание бит, задающих режим работы таймера-счетчика 0