®¨nŠ‹nµ¥´ µ–š¸É‹³Ä oœ´ (Timer Clock Source)

Overview
AVR Timer/Counter
รศ.ณรงค บวบทอง
Introduction
Basic Component
Operation
ATmega168 Timer
Overview
Related Registers
Operation
Programming Language
C Language
C Language with Arduino
1
2
หลักการเบื้องตน
Timer การวัดคาบเวลา หรือการจับเวลา
Counter การนับจํานวนสัญญาณ ถาสัญญาณนั้นมีคาบเวลาคงที่ การนับก็
จะเปนการนับจํานวนเวลา นั่นคือ Timer
สวนประกอบเบื้องของ Timer/Counter ในระบบ Microcontroller:
แหลงจายสัญญาณที่จะใชนับ
วงจรนับ
รีจิสเตอรควบคุม
Optional prescaler ของสัญญาณที่จะใชนับ
ทั้ง Timer และ Counter บางครั้งก็เรียกรวมๆกันวา Timer
3
แหลงจายสัญญาณที่จะใชนับ (Timer Clock Source)
แหลงจายสัญญาณมาจาก :
ภายใน Internal
ภายนอก External
ปกติแลว Microcontroller จะใชสัญญาณนาฬิกาเพื่อการทํางานของระบบ สัญญาณ
นาฬิกานี้ อาจจะมาจากภายนอกชิพ เชน ใช XTAL หรือเปนวงจรสรางสัญญาณ
ภายในชิพเองก็ได สัญญาณนาฬิกาของระบบนี้ ยังใชเปนสัญญาณนาฬิกาของวงจร
ตางๆดวย เชน
CPU clock (clkcpu)
I/O clock (clkI/O)
ADC clock (clkADC)
Timer/Counter clock
4

วงจรนับ (Timer/Counter Registers)
วงจรนับ ใชสําหรับการนับสัญญาณ และการจับเวลา
ขนาดของวงจรนับ
8 บิต
16 บิต บางครั้งใชวงจรนับขนาด 8 บิต 2 ตัวมาทําเปนวงจรนับขนาด 16 บิต
รีจิสเตอรควบคุม (Timer Control Registers)
ทําหนาที่ควบคุมการทํางาน เชน
รูปแบบการทํางาน (Operating mode) เชน Normal, PWM,
compare/capture
สรางสัญญาณอินเตอรรัพท
เลือกแหลงจายสัญญาณ
เลือกรูปแบบการทริก (Trigger)
รีจิสเตอรควบคุมนี้อาจมีหลายตัว
5
6
Timer Prescaler
Controller บางตัวมีความยืดหยุนสูง สามารถเลือกใชสัญญาณนาฬิกาที่
ความถี่ตางๆกันได ซึ่งความถี่เหลานี้ไดมาจากวงจร prescaler.
วงจร Prescaler อาจเปนวงจร คูณหรือวงจรหารความถี่ก็ได การคูณ
หรือหารความถี่นี้ก็เพื่อใหไดความถีสัญญาณที่ตองการ โดยปกติจะ
เปนวงจรหารความถี่ตัวอยางเชน ถาสัญญาณนาฬิกาของระบบมี
Prescaler เปน 64 ก็หมายความวาความถี่สัญญาณที่ไดจะเปน fsys/64
ตัวอยาง Prescaler
Multiplexer
7
8

การทํางานเบื้องตนของ Timer/Counter
วงจรนับ เริ่มการนับจากคาตั้งตน (ปกติเปน 0)
เมื่อมีสัญญาณเขามา วงจรนับจะเพิ่มคา (หรือลดคา) ทีละ 1
เมื่อนับมาถึงคาที่กําหนดใว จะเกิดสัญญาณ Overflow ในสัญญาณลูกถัดไป
วงจรนับ เริ่มการนับจากคาตั้งตนใหม
AVR processor architecture
9
10
ATmega168 Timer/Counter
ATmega168 มี Timer 3 ตัว
Timer/Counter 0 : 8 bit with PWM
Timer/Counter 1 : 16 bit with PWM
Timer/Counter 2 : 8 bit with PWM and Asynchronous Operation
External counter input
PD4/ T0 Timer/Counter 0 external counter input
PD5/ T1 / Timer/Counter 1 external counter input
11
12

External counter Output
PD6/OC0A Timer/Counter 0 output compare match A output
PD5/OC0B Timer/Counter 0 output compare match B output
PB1/OC1A Timer/Counter 1 output compare match A output
PB2/OC1B Timer/Counter 1 output compare match B output
PB3/OC2A Timer/Counter 2 output compare match A output
PD3/OC2B Timer/Counter 2 output compare match B output
The 8-bit Timer block diagram
Timer/Counter 0/2
external counter
input
Timer/Counter 0/2
output compare
match A output
Timer/Counter 0/2
output compare
match B output
13
14
วงจรนับ
ขนาด 8 บิต
วงจรเปรียบเทียบ Output compare unit
Output Compare
Registers
วงจรนับ
วงจรนับ
15
16

The 8-bit Timer Control Register
The 16-bit Timer
17
18
รีจิสเตอรสําหรับควบคุม Timer 8 บิต
รีจิสเตอรสําหรับควบคุม Timer 16 บิต
Counter0 Counter2 Description
TCCR0A TCCR2A Timer/Counter Control Register A
TCCR0B TCCR2B Timer/Counter Control Register B
TCNT0 TCNT2 Timer/Counter Register
OCR0A OCR2A Output Compare Register A
OCR0B OCR2B Output Compare Register B
TIMSK0 TIMSK2 Timer/Counter Interrupt Mask Register
TIFR0 TIFR2 Timer/Counter Interrupt Flag Register
Counter1
TCCR1A
TCCR1B
TCCR1C
TCNT1H
TCNT1L
OCR1AH
OCR1AL
OCR1BH
OCR1BL
ICR1H
ICR1L
TIMSK1
TIFR1
Description
Timer/Counter 1 Control Register A
Timer/Counter 1 Control Register B
Timer/Counter 1 Control Register C
Timer/Counter 1 High Register
Timer/Counter 1 Low Register
Output Compare Register 1 A High
Output Compare Register 1 A Low
Output Compare Register 1 B High
Output Compare Register 1 B Low
Input Capture Register 1 High
Input Capture Register 1 Low
Timer/Counter Interrupt Mask Register
Timer/Counter Interrupt Flag Register
19
20

นิยาม
MAX คาสูงสุดที่ Counter นับได กรณีเปนแบบ 8 บิต นับได 255 ถาเปน
16 บิตจะนับได 65535
BOTTOM คาต่ําสุดที่นับได ปกติคือ 0
TOP คาสูงสุดที่กําหนดให Counter นับ
การทํางานของ Timer/Counter
Normal
CTC (Clear Timer on Compare Match)
Fast PWM (Single Slope PWM)
Phase Correct PWM (Double Slope PWM)
21
22
การทํางานแบบ Normal
นับจากคาที่ตั้งใวใน Counter ไปจนถึงคา MAX จะเกิดการ Overflow ซึ่ง
ใชไปอินเตอรรัพท CPU ได
วิธีกาหนดการทํางาน
กําหนดให WGM ในรีจิสเตอร TCCRnA และ TCCRnB เทากับ 000
กําหนดคา Prescale CSn2 – CSn0 ในรีจิสเตอร TCCRnB
กําหนดคาเริ่มตนสําหรับการนับ ในรีจิสเตอร TCNTn
กําหนดสถานการณอินเตอรรัพทของ Timer บิต TOIEn ในรีจิสเตอร TIMSKn
กําหนดบิต Global ใน SREG
Timing Diagram
ไมมี Prescale
มี Prescale 1/8
23
24

การทํางานของ Timer 0 : TCCR0A and TCCR0B
การทํางานของ Timer 1 : TCCR1A และ TCCR1B
Mode WGM02 WGM01 WGM00 Description
0 0 0 0 Normal
1 0 0 1 PWM, Phase Correct
2 0 1 0 Clear Timer on Compare (CTC)
3 0 1 1 Fast PWM
4 1 0 0 Reserved
5 1 0 1 PWM, Phase Correct
6 1 1 0 Reserved
7 1 1 1 Fast PWM
25
26
การทํางานของ Timer 1
Prescaler for Timer/Counter0 and Timer/Counter1
27
28

TCCRnB ใชกําหนดคา Prescaler
รีจิสเตอรสําหรับนับ Timer/Counter Register
Timer 0 : TCNT0
Timer1 : TCnT1 = TCNT1H (8-bit) + TCNT1L (8-bit)
Timer2 : TCNT2
29
30
Timer/Counter Interrupt Mask Register TIMSKn
ตัวอยางโปรแกรม Timer 0 mode 0 (Normal)
#include
#include
ISR(TIMER0_OVF_vect)
{
PORTB = ~PORTB;
TCNT0 = 55;
}
//Complement PortB
//Preload Counter
31
32

ตัวอยางโปรแกรม Timer 0 mode 0 (Normal)
// ***********************************************************
// Main program
//
int main(void) {
DDRB = 0b11111111; // All outputs
TCCR0A = 0;
// initialize timer1
TCCR0B = 0; // mode 0
TCCR0B |= (1

การคํานวณคาบเวลา Interrupt
fclk = 16MHz
Prescale = 1
ความถี่ที่ใชในการนับ = fclk/prescale = 16MHz/1 = 16MHz
การนับแตละครั้งใชเวลา = 1/16MHz = 0.0625 uS
Preload Counter = 60000
คา MAX ของ Timer 1 = 65536
ดังนั้นตองนับ = MAX – Preload = 65536 – 60000 = 5536 จึงจะ Overflow
คาบเวลาการอินเตอรรัพท = 5536 * 0.0625 uS = 346 uSec
การทํางานแบบ Clear timer on compare match (CTC) mode
รีจิสเตอร TCNT เริ่มนับจากนับจาก 0 ไปจนเทากับคา TOP ที่ตั้งใวใน
OCRA จะเกิดการ Overflow ซึ่งใชไปอินเตอรรัพท CPU ได และ Timer
จะ Clear คา ใน TCNT ใหเปน 0 ใหม
วิธีกาหนดการทํางาน
กําหนดให WGM ในรีจิสเตอร TCCRnA และ TCCRnB เทากับ 010
กําหนดคา Prescale CSn2 – CSn0 ในรีจิสเตอร TCCRnB
กําหนดคา TOP สําหรับการนับ ในรีจิสเตอร OCRnA
กําหนดสถานการณอินเตอรรัพทของ Timer บิต OCIEnA ในรีจิสเตอร TIMSKn
กําหนดบิต Global ใน SREG
37
38
ตัวอยางโปรแกรม Timer 0 mode 2 (CTC)
#include
#include
ตัวอยางโปรแกรม Timer 0 mode 2 (CTC)
while(1)
{
int main (void)
{
DDRB = 0b11111111;
TIMSK0 = _BV(OCIE0A);
TCCR0A = _BV(WGM01);
TCCR0B = _BV(CS02) | _BV(CS00);
OCR0A = 40;
PORTB = 0xff;
sei();
// All outputs
// Enable Interrupt
// Mode = CTC
// Clock/1024
// Set Top value
}
}
ISR(SIG_OUTPUT_COMPARE0A)
{
PORTB = ~PORTB;
}
39
40

การคํานวณคาบเวลา Interrupt
Phase correct PWM mode
fclk = 16MHz
Prescale = 1024
ความถี่ที่ใชในการนับ = fclk/prescale = 16MHz/1024 = 15.625 KHz
การนับแตละครั้งใชเวลา T = 1/15.625 KHz = 0.064 uS
คา TOP ที่ตั้งของ Timer 0 = OCR0A = 40
คาบเวลาการอินเตอรรัพท = TOP*T = 40* 0.064 uS = 2.56 mSec
41
42
Phase correct PWM mode
External counter Output
การทํางานโหมดนี้ เริ่มตน Counter TCNT จะนับ
ขึ้น เมื่อนับถึงคาสูงสุด MAX ของ Counter (เชน
Timer 0 = 255) วงจรนับจะเปลี่ยนทิศทางการนับ
กลายเปนนับลง และเมื่อนับถึงคาต่ําสุด
BOTTOM วงจรนับก็จะเปลี่ยนทิศทางการนับอีก
ครั้ง การนับจะเปนเชนนี้ตลอดไป
สัญญาณเอาทพุท จะออกทางขา Ocnx เชน Timer
0 ชอง A จะออกที่ขา PD6 โดยสัญญาณจะถูก
กําหนดดวยคา COM0A1 COM0A0 (Timer 0
ชอง A) และ COM0B1 COM0B0 COM0A0
(Timer 0 ชอง B) ในรีจิสเตอร TCCR0A
43
44

Compare output mode, phase correct PWM mode
ตัวอยางโปรแกรม สราง PWM ออกที่ PD6 Duty cycle 25%
#include
#include
ตัวอยาง ถาให COM0A1-COM0A0 = 10
เมื่อ Counter นับขึ้น สัญญาณ OC0A เปน 1 และจะกลายเปน 0 เมื่อ คา Counter
เทากับคาที่ตั้งใวใน OCR0A
เมื่อนับถึงคาสูงสุด Counter เปลี่ยนเปนนับลง ขณะนี้ สัญญาณ OC0A ยังเปน 0
อยู แตมื่อนับมาเทากับคา OCR0A จะเปลี่ยนเปน ลอจิก 1 อีกครั้ง
ถาให COM0A1-COM0A0 = 11 สัญญาณจะกลับเฟสกัน
45
int main (void)
{
DDRD = 0b11111111; // All outputs
TCCR0A = 0b10000001; // Mode = PWM
TCCR0B = 0b00000011; // Clock/64, Normal phase
OCR0A = 51; // Duty cycle 20%
PORTD = 0xff; //PWM Output on PD6 = OC0A
while(1)
{
}
}
46
การคํานวณคาบเวลา
fclk = 16MHz
Prescale = 64
ความถี่ที่ใชในการนับ = fclk/prescale = 16MHz/64 = 250 KHz
การนับแตละครั้งใชเวลา T = 1/250 KHz = 4 uS
คาคาบเวลาของสัญญาณ PWM = 4uS*255*2 = 2040 uS
คาความถี่ของสัญญาณ PWM = 1/2040 uS = 490 Hz
คา TOP ที่ตั้งของ Timer 0 = OCR0A = 51
ความกวางของพัลส = 4uS*51*2 = 408 uS
Duty Cycle = คาคาบเวลาของสัญญาณ PWM / ความกวางของพัลส = 408uS/2040uS = 20%
หมายเหตุ 2 มาจากการที่ Counter นับขึ้นและนับลง
47