Skip to content

Lesson6.md

Latest commit

 

History

History
281 lines (234 loc) · 22.4 KB

Lesson6.md

File metadata and controls

281 lines (234 loc) · 22.4 KB

Вступление

Прошу прощения, если кого-то расстроил столь долгим перерывом, но конец года постоянно не оставляет ни минуты свободного времени.

Ранее мы начали изучение таймеров в контроллерах Stm32 и рассмотрели базовый таймер, функционал которого ограничен увеличением счетчика (регистра CNTR) и генерацией события (на которое можно "повесить" прерывание и DMA-запрос) при его переполнении.

Переходим к следующему в иерархии виду таймеров - таймерам общего назначения (general-purpose).

Таймеры общего назначения в Stm32

В контроллерах, как правило, представлено несколько таймеров общего назначения, которые, в свою очередь, согласно Reference Manual можно разбить на несколько групп с незначительными отличиями, к которым относятся:

  • разрядность счетчика (некоторые таймеры общего назначения могут быть 32-битными, например, "таймер 2" для контроллеров Stm32f0x);
  • направление счета (некоторые считают только вверх, некоторые позволяют вести счет вниз или вверх/вниз);
  • количество каналов захвата/сравнения (два или четыре);
  • поддержка внешнего триггера/сигнала тактирования (некоторые таймеры имеют, некоторые нет).

Конкретные возможности того или иного таймера можно найти в Reference Manual, мы же рассмотрим полный список возможностей таймеров общего назначения.

К основным возможностям, согласно Reference Manual, можно отнести следующее:

  • 16/32-битный счетчик автоперезагрузкой (прямого, обратного, прямого/обратного счета);
  • 16-битный программируемый предделитель, используемый для деления входного тактирующего сигнала на любое значение в промежутке 1..65536;
  • до 4 независимых каналов для
    • захвата;
    • сравнения;
    • генерации ШИМ;
    • выхода в режиме one-pulse.
  • схема синхронизации с внешними сигналами и другими таймерами;
  • генерация прерывания/DMA-запроса для следующих событий:
    • обновление счетчика (переполнение вверх/вниз, сброс таймера (программный или по триггеру)
    • событие триггера (начала/остановка счета)
    • событие захвата
    • событие сравнения
  • поддержка инкрементного (квадратурного) энкодера и датчика Холла
  • вход триггера для внешнего тактирования

На рисунке ниже представлена диаграмма блока базового таймера, где красным цветом выделена часть, общая с рассмотренным ранее базовым таймеров.

Диаграмма

Несложно увидеть, что непосредственно счет (он же целиком базовый таймер) - это лишь малая часть полного модуля таймера, поэтому последовательно разберем составные части таймеров общего назначения.

Линия Internal clock (CK_INT)

CK_INT - внутренний тактирующий сигнал от шины, используется для "обычного" тактирования таймера от системной шины.

Вход TIMx_ETR

TIMx_ETR - вход для внешнего сигнала, который можно использовать как триггер или тактовый сигнал. Сигнал с этого входа проходит через два промежуточных модуля:

  • Polarity selection & edge detector & prescaler выполняет следующие функции:
    • выбор полярности: вход ETR может быть неинвертированным, в этом случае активным считается высокий уровень или восходящий фронт, либо инвертированным, при котором активным считается низкий уровень или нисходящий фронт. Настройка задается битом ETP регистра TIMx_SMCR;
    • детектор фронтов;
    • настраиваемый предделитель: выходной сигнал модуля может иметь частоту не более 1/4 частоты CK_INT, поэтому в случае высокочастотного входного сигнала может быть полезным его деление. Доступно деление на 1, 2, 4, 8, настройка задается битами ETPS регистра TIMx_SMCR.
  • Input filter является цифровым фильтром для сигнала ETRP, его настройка задается битами ETF регистра TIMx_SMCR, конкретное описание значений можно найти в Reference Manual.

Входы ITR0 ... ITR4

Каждый вход ITRx является внутренней линией к другому таймеру (мастер-таймеру), конкретное их перечисление указано в Reference Manual. Например, для таймера 2 контроллера Stm32f103 ITR0 ... ITR1 подключены соответственно к таймерам 1, 8, 3, 4. Мультиплексор позволяет выбрать одну из четерых линий в качестве выходной, что задается двумя битами младшими TS регистра TIMx_SMCR.

Входы TI1FP1 и TI2FP2

Эти линии являются выходами детектора фронтов первого канала, поэтому будут описаны ниже.

Trigger controller

Перечисленные выше линии после цепочек деления частоты, фильтрации и мультиплексирования в итоге попадают в модуль Trigger controller, который имеет два выхода:

  • TRGO: выход для синхронизации с другими таймерами (те самые линии ITRx) и запуска ЦАП/АЦП. Выход активируется битом MSM регистра TIMx_SMCR;

  • Reset, enable, up, count - линия (точнее несколько) управления счетом таймера, где

    • reset - сброс счетчика;
    • enable - активация (запуск) таймера;
    • up - направление счета;
    • count - сигнал счета (изменения счетчика на единицу вверх/вниз).

    Данный выход настраивается с помощью битов SMS регистра TIMx_SMCR и может иметь следующие значения:

    • 000 (Slave mode disabled) : slave-режим отключен, таймер тактируется от линии CK_INT;
    • 001 (Encoder mode 1): режиме энкодера 1, счетчик изменяется по фронту TI2FP1 на единицу вверх/вниз в зависимости от состояния TI1FP2;
    • 010 (Encoder mode 2): режиме энкодера 2, счетчик изменяется по фронту TI1FP2 на единицу вверх/вниз в зависимости от состояния TI2FP1;
    • 011 (Encoder mode 3): режиме энкодера 3, счетчик изменяется по фронтам TI1FP1 и TI2FP2 на единицу вверх/вниз в зависимости от их состояния;
    • 100 (Reset Mode): режим сброса, выбранный триггер сбрасывает счетчик;
    • 101 (Gated Mode): режима шлюза, счетчик включен только при высоком уровне сигнала триггера. При переходе его в низкий уровень счет останавливается, но счетчик не сбрасывается. При переходе триггерного сигнала обратно в высокий уровень счет возобновляется;
    • 110 (Trigger Mode): режим триггера, счет запускается по восходящему фронту триггерного сигнала (счетчик не сбрасывается, при переходе триггерного сигнала в низкий уровнеь ничего не происходит);
    • 111 (External Clock Mode 1): режим внешнего тактирования, триггерный сигнал управляет изменением счетчика.

На этом верхняя часть схемы таймера закончилась и она похожа на базовый таймер, но с продвинутыми возможностями управления счетчиком.

Режим сравнения

В базовом таймере единственным событием было переполнение счетчика, таймеры общего назначения позволяют реагировать (то есть генерировать событие) при достижении счетчиком заданного значения. Такой режим работы называется режимом сравнения.

В таймерах общего назначения есть 4 канала захвата/сравнения (про захват читайте в следующей статье), каждый из которых управляется двумя регистрами:

  • TIMx_CCRy (где y - номер канала) - позволяет задать значение, при достижении счетчиком таймера которого происходит срабатывание канала сравнения;
  • TIMx_CCMRy (где y = номер канала / 2, то есть 1 и 2 каналы делят регистр TIMx_CCMR1, а 3 и 4 - регистр TIMx_CCMR2) - регистр конфигурации канала сравнения.

Рассмотрим возможные функции канала в режиме сравнения, которые могут быть заданы битами OCxM соответствующего регистра:

  • 000 (Frozen): сравнение счетчикам таймера с регистром CCRy не имеет никакого эффекта;
  • 001: выход OCyREF устанавливается в высокий уровень при совпадении счетчика с регистром CCRy;
  • 010: обратный режим, выход OCyREF устанавливается в низкий уровень при совпадении счетчика с регистром CCRy;
  • 011 (Toggle): выход OCyREF инвертируется при совпадении счетчика с регистром CCRy;
  • 100 (Force inactive level): выход OCyREF принудительно в низком уровне;
  • 101 (Force active level): выход OCyREF принудительно в высоком уровне;
  • 110 (PWM mode 1): решим ШИМ 1, при счете вверх выход OCyREF имеет высокий уровень пока TIMx_CNT < TIMx_CCR1, иначе низкий. При счете вниз выход OCyREF имеет низкий уровень пока TIMx_CNT > TIMx_CCR1;
  • 110 (PWM mode 2): решим ШИМ 2, при счете вверх выход OCyREF имеет низкий уровень пока TIMx_CNT < TIMx_CCR1, иначе низкий. При счете вниз выход OCyREF имеет высокий уровень пока TIMx_CNT > TIMx_CCR1.

Выход OCyREF проходит через модуль Output control и попадает на выход TIMx_CHy. Для каждого канала в Output control доступно два бита настройки:

  • CCyE (Capture/Compare y output enable), если равен 0, канал неактивен, если равен 1, то выход зависит от уровня OCyREF;
  • CCyP (Capture/Compare y output polarity), если равен 00, то выход является неинвертированным, то есть уровень выхода TIMx_CHy совпадает OCyREF, иначе наоборот.

Помимо изменения состояния выхода каждый канал сравнения позволяет сгенерировать прерывание по сравнению (момент совпадения счетчика с регистром CCRy), что активируется битом CCyE регистра TIMx_DIER, и активировать запрос DMA (бит CCyD регистра TIMx_DIER).

В целом возможности каналов таймера в режиме сравнения можно сформулировать как реагирование на совпадение счетчика таймера с заданным значением в виде изменения состояния выхода или генерации прерывания/запроса DMA.

Интерфейс библиотеки Zhele для таймеров общего назначения

В библиотеке Zhele функционал таймера общего назначения реализован шаблонном класса GPTimer, который является производным от класса BaseTimer и, соответственно, предоставляет те же возможности, что и базовый таймер.

Для использования всех возможностей класс имеет следующие вложенные классы:

  • SlaveMode: класс для управления функциями таймера как ведомого;
  • ChannelBase: шаблон класса, реализующий общие функции канала (и захвата, и сравнения);
  • InputCapture: шаблон класса, реализующий канал захвата;
  • OutputCompare: шаблон класса, реализующий канал сравнения;
  • PWMGeneration: шаблон класса, реализующий канал ШИМ.

GPTimer::SlaveMode

Вложенный шаблон класса SlaveMode (параметризуется номером канала) имеет следующие методы:

  • void EnableSlaveMode(Mode mode) - включает ведомый режим, тип Mode является перечислением со следующими значениями:

    • SlaveModeDisabled
    • EncoderMode1
    • EncoderMode2
    • EncoderMode3
    • ResetMode
    • GatedMode
    • TriggerMode
    • ExternalClockMode

    Комментировать их нет необходимости, поскольку имена значения перечисления полностью совпадают с описанием значений битов SMS из Reference Manual;

  • void DisableSlaveMode() - отключает режим ведомого;

  • void SelectTrigger(Trigger trigger) - выбирает триггер, тип Trigger является перечислением со следующими значениями:

    • InternalTrigger0;
    • InternalTrigger1
    • InternalTrigger2
    • InternalTrigger3
    • Ti1EdgeDetector
    • FilteredTimerInput1
    • FilteredTimerInput2
    • ExternalTriggerInput

  • void SetTriggerPrescaler(ExternalTriggerPrescaler prescaler) - устанавливает делитель для триггератип Trigger является перечислением со следующими значениями:

    • PrescalerOff;
    • Divide2
    • Divide4
    • Divide8

GPTimer::ChannelBase

Вложенный шаблон класса ChannelBase имеет следующие методы:

  • void EnableInterrupt() - включает прерывание канала по событию захвата/сравнения;
  • void DisableInterrupt() - отключает прерывание канала по событию захвата/сравнения;
  • bool IsInterrupt() - показывает, установлен ли флаг прерывания канала;
  • void ClearInterruptFlag() - сбрасывает флаг прерывания канала;
  • void EnableDmaRequest() - включает запрос DMA по событию захвата/сравнения;
  • void DisableDmaRequest() - отключает запрос DMA;
  • void Enable() - включает канал;
  • void Disable() - отключает канал.

GPTimer::OutputCompare

Вложенный шаблон класса OutputCompare имеет следующие методы:

  • void SetPulse(typename Base::Counter pulse) - устанавливает значение регистра CCRy;
  • Base::Counter GetPulse() - возвращает текущее значение регистра CCRy;
  • void SetOutputPolarity(OutputPolarity polarity) - устанавливает выходную полярность, тип OutputPolarity является перечислением со значениями ActiveHigh и ActiveLow для неинвертированного и инвертированного режима соответственно.
  • void SetOutputMode(OutputMode mode) - устанавливает режим выхода, тип OutputMode является перечисленим со следующими значениями:
    • Timing - выход отключен;
    • Active - высокий уровень на выходе по сравнению;
    • Inactive - низкий уровень на выходе по сравнению;
    • Toggle - переключение уровня по сравнению
    • PWM1 - режим ШИМ 1;
    • PWM2 - режим ШИМ 2;
    • ForcedActive - принудительно высокий уровень;
    • ForcedInactive - принудительно низкий уровень.
  • void SelectPins(int pinNumber) и его шаблонные вариации - выбор линии выхода.

GPTimer::PWMGeneration

Вложенный шаблон класса PWMGeneration (параметризуется номером канала и является производным от OutputCompare) имеет следующие методы:

  • void SetOutputFastMode(FastMode mode) - настраивает Fast Mode, тип FastMode является перечислением со значениями Disable и Enable;
  • void SelectPins(int pinNumber) и его шаблонные вариации - выбор линии выхода.

Пример

Уместить все возможности таймера общего назначения в один пример нелегко, поэтому используем одну из наиболее популярных функций - генерация ШИМ-сигнала для управления, например, яркостью светодиода.

#include <iopins.h>
#include <timer.h>

using namespace Zhele::IO;
using namespace Zhele::Timers;

using PwmChannel = Timer3::PWMGeneration<1>;

int main()
{
  // Включает порт
  Pa7::Port::Enable();

  // Настраиваем таймер 3, частота переполнения составляет 
  Timer3::Enable();
  Timer3::SetPrescaler(799);
  Timer3::SetPeriod(100); // Значение регистра сравнения может быть в промежутке 1..99
    
  // Выбор выхода канала (A7)
  PwmChannel::SelectPins<Pa7>();
  // Включение канала
  PwmChannel::Enable();
  // Настройка режима выхода канала
  PwmChannel::SetOutputMode(PwmChannel::OutputMode::PWM1);
  // Настройка коэффициента заполнения
  PwmChannel::SetPulse(50); // 50% заполнение
  // Включение таймера
  Timer3::Start();
    
  for (;;)
  {
  }
}

Полный код примера, как обычно, доступен на Яндекс.Диске.