AVR

1.前言

近年来,嵌入式发展迅速,采用51单片机死循环的事件触发编程方式已逐渐不能满足企业对产品稳定性和安全性的要求。目前,嵌入式系统软件有VxWork、Linux、WinCE、μC/OS-II等,可出于成本和技术上的考虑,微控制器往往不会选取其进行设计。在实际应用中,往往会面临同时应付多外设、多任务的情况,则对它们的相互调度必不可少。时间触发嵌入式系统就是这样的简单实用的操作系统。

本文设计了基于AVR微控制器的时间触发多任务调度器并应用于实际。该调度器使用传递消息(message)的方式使得微控制器在多个任务及设备间切换。

2.AVR微控制器的结构特点

AVR是目前使用以该系列的ATmega128为例说明,它采用哈佛结构,RISC指令集、低功耗、片上资源丰富的特点,极大简化了外围电路,使系统更加稳定可靠。其特点为嵌入式系统设计提供了良好的硬件保证。

3.嵌入式两种触发方式的对比

在嵌入式系统中,通常采用两种本质上不同的调度方式:事件触发和时间触发。事件触发方式往往使用多级中断来实现,其发生时间具有随机性;而时间触发方式由一个全局时钟驱动,系统的行为在功能与时间上都是确定的,即具有可预测性。

3.1 事件触发方式存在的问题

嵌入式系统开发人员有一种中断事件绝不会丢失的错误观念,这往往给开发的产品带来灾难性的后果。中断事件丢失在实际应用中是一个不争的事实,产生的原因有多方面,但无外乎内因和外因两种。外因指嵌入式系统外产生的原因,这里主要指中断源信号丢失或过于频繁;而内因又可分为硬件原因和软件原因,硬件原因主要由所用嵌入式器件的中断嵌套能力所致,软件原因主要由开发者编程时对任务中断优先级设置错误以及任务处理不当所致。

例如,中断0是一个高优先级中断,而中断1是一个低优先级中断,则由高优先级中断激活的中断服务程序不能被低优先级的中断打断。于是,对第二个中断的响应将被延迟,甚至在一些情况下它有被完全忽略的可能。

如果多个中断源可能在“随机的”时间间隔产生中断,则中断响应可能被遗漏。实际上,在同时有几个有效的中断源的情况下,几乎不可能创建程序代码来正确地处理所有可能的中断组合。并且同时处理多个事件不但增加了系统复杂性,而且降低了系统在所有情况下的行为预测能力。至于使用效率,Metzner讨论并得出结论:一个包含27个任务、采用RM调度算法的事件触发系统,CPU的实际利用率仅为18%.

3.2 时间触发方式的优势

在该系统中,设计人员能够通过仔细安排可控的顺序,保证一次只处理一个事件。它的可预测性使其成为安全相关的系统的首选。

Kopetz首先提出:使用基于时间触发的合作式调度器会使得系统有非常好的可预测性。除可提高可靠性之外,使用该方式有助于减轻CPU的负荷及存储器的使用量。

4.时间触发嵌入式系统的设计

在该调度器中,定时器的设置被分离出来,并使之不依赖于编译器的数据类型以及处理器的位数,通过修改该部分可以轻松移植到多种硬件平台。系统整体方框图如图1所示:

基于AVR微控制器的时间触发多任务调度器的设计与应用

4.1 消息队列

消息队列是调度器的核心,它是用户自定义的数据类型,包括了每个任务所需要的信息。尽量将其存储在DATA区,以供快速存取。

对于基于时间触发的混合式调度器,使用如下的数据结构,对于每个任务存储器的开销仅为8个字节。即使是使用32位处理器,每个任务的开销也仅为14个字节。
基于AVR微控制器的时间触发多任务调度器的设计与应用
4.2 调度器定时器初始化函数

该函数用来产生驱动调度器的定时时标。

本文所选用AVR系列的ATmega128微控制器具有四个定时器(两个8位,两个16位),任一个都能用来驱动调度器,权衡考虑选用定时器0.

void SCH_Init_T0(void){逐个删除各个任务;停止定时器0;设置时间大小函数;使能定时器0方式;启动定时器0;}

注:在此期间不可开启总中断,即:SREG=0&TImes;80或SEI();调度器必须先设定一个默认的时间片,这并不是件简单的事。时间片过长会导致系统对交互行为的响应表现欠佳;时间片太短又会明显地增大调度器处理耗时,而留给任务运行的时间却很短。

根据笔者经验,一个较为可取的时间片是略大于一次典型的交互所需要的时间,使大多数进程在一个时间片内完成。经反复尝试,时间片选择在1~5ms之间执行效率较高,这样既可满足响应速度的要求又能把任务执行的时间降到最低。该时间与任务个数和任务运行时间均有关,具体大小视情况而定。

4.3 中断服务程序

建议该函数由CTC方式激活,当某任务需要运行时,使之处于就绪态等待被执行。该函数内容由具体任务而定。

4.4 调度器任务添加函数

该函数用来将任务添加到消息队列,以保证条件满足时被调用。

{定义静态变量i;循环判断任务队列是否有空间;若无,报错返回;否则,添加任务;}

4.5 调度函数

刷新函数虽然能够直接激活任务,但若直接运行,长任务将破坏时标中断,这意味着所有的系统定时都将受到严重影响,造成许多任务不能被调度。因此,为了在长任务存在的情况下使调度器的可靠性最大化,分离刷新和调度这两个操作是必要的。

时间触发嵌入式系统采用的是FCFS算法,为了提高系统的响应速度,必须要求DuraTIontask

void SCH_Dispatch_Tasks(void){定义静态变量i;如果运行标志位大于0,则执行该任务;该标志位清零;如果是单次任务,则将其删除;}

4.6 调度器任务删除函数

void SCH_Delete_Task(const uint8task_id){定义 静态返回值;若指针函数为空,返回空闲代码;否则,对其延迟、周期、状态等变量清零;返回代码;}

5.应用实验

以电磁炉系统为例,进一步介绍基于AVR微控制器的时间触发嵌入式系统的具体应用。

电磁炉系统是一个复杂的嵌入式系统,如图2所示,AVR要处理大量的外围设备,为便于开发,将整个程序按照硬件及功能进行模块划分,各个功能模块之间通过传递消息的方式来完成多任务的处理。

基于AVR微控制器的时间触发多任务调度器的设计与应用

针对该应用,可设计功能模块:MSGMap[],该数组由各个功能模块组成,具体子函数如表1所列,使用函数数组的方式可以增强程序的扩展能力。如果有新的外设,只需在这里添加对应的模块入口,并完成相应的模块就可以增加系统的功能。
基于AVR微控制器的时间触发多任务调度器的设计与应用

其中每个任务的运行周期间隔时间是程序中设定的参数(周期应为4ms的倍数),具体执行时间由AVR Studio测得,均应小于设定时间片4ms,否则应用将出错,需重新设定时间片大小或再次分割功能模块。其中看门狗处理任务是唯一的抢占式任务。

6.结论

实验表明,以AVR微控制器为核心的控制系统,外围扩展功能强大、开发较简单,结合以时间触发理念为内核的操作系统,设计时一次只为一个任务分配空间,每个任务的存储开销只有8个字节,采用由C语言与汇编混合式编程,简单、安全,可预测性强,尤其适用于对成本和稳定性均有要求的中小企业。随着嵌入式系统的发展,基于AVR的时间触发嵌入式系统必然有着广阔的应用前景。

转自: 畅学单片机

围观 8
476

八位单片机由于内部构造简单,体积小,成本低廉,在一些较简单的控制器中应用很广。即便到了本世纪,在单片机应用中,仍占有相当的份额。由于八位单片机种类繁多,本文仅将常用的几种在性能上作一个简单的比较,供读者在使用时作参考。

1. 51系列

应用最广泛的八位单片机首推Intel的51系列,由于产品硬件结构合理,指令系统规范,加之生产历史“悠久”,有先入为主的优势。世界有许多著名的芯片公司都购买了51芯片的核心专利技术,并在其基础上进行性能上的扩充,使得芯片得到进一步的完善,形成了一个庞大的体系,直到现在仍在不断翻新,把单片机世界炒得沸沸扬扬。有人推测,51芯片可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统,称作位处理器,或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理,如传送、置位、清零、测试等,还能进行位的逻辑运算,其功能十分完备,使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能,但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间,十六个字节,单元地址20H~2FH,它既可作字节处理,也可作位处理(作位处理时,合128个位,相应位地址为00H~7FH),使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便,因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支,因而需建立很多标志位,在运行过程中,需要对有关的标志位进行置位、清零或检测,以确定程序的运行方向。而实施这一处理(包括前面所有的位功能),只需用一条位操作指令即可。

  例1:如对21H的第0位(相应位地址为08H)置位,只需用一条位指令,
   SETB08H
  对周围的其他位不会产生影响。
  有的单片机并不能直接对RAM单元中的位进行操作,如AVR系列单片机中,若想对RAM中的某位置位时,必须通过状态寄存器SREG的T位进行中转。
  例2:如对RAM中的R0寄存器的第4位置位,则
  BSET6 ;状态寄存器T置位
  BLD R0, 4 ;将T位复制到R0的第4位
  显然,后者比前者要复杂。

51系列的另一个优点是乘法和除法指令,这给编程也带来了便利。八位除以八位的除法指令,商为八位,精度嫌不够,用得不多。而八位乘八位的乘法指令,其积为十六位,精度还是能满足要求的,用的较多。作乘法时,只需一条指令就行了,即 MULAB(两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。积的低位字节在累加器A中,高位字节在寄存器B中)。很多的八位单片机都不具备乘法功能,作乘法时还得编上一段子程序调用,十分不便。

  在51系列中,还有一条二进制-十进制调整指令 DA,能将二进制变为BCD码,这对于十进制的计量十分方便。而在其他的单片机中,则也需调用专用的子程序才行。

Intel公司51系列的典型产品是8051,片内有4K字节的一次性程序存储器(OTP)。Atmel公司就将其改为电可改写的闪速存储器(Flash),容许改写1000次以上,这给编程和调试带来极大的便利,其产品AT89C51、AT89C52 ……等成为了当今最流行的八位单片机。

51系列的I/O脚的设置和使用非常简单,当该脚作输入脚使用时,只须将该脚设置为高电平(复位时,各I/O口均置高电平)。当该脚作输出脚使用时,则为高电平或低电平均可。低电平时,吸入电流可达20mA,具有一定的驱动能力;而为高电平时,输出电流仅数十μA甚至更小(电流实际上是由脚的上拉电流形成的),基本上没有驱动能力。其原因是高电平时該脚也同时作输入脚使用,而输入脚必须具有高的输入阻抗,因而上拉的电流必须很小才行。作输出脚使用,欲进行高电平驱动时,得利用外电路来实现(见附图),I/O脚不通,电流经R驱动LED发光;低电平时,I/O脚导通,电流由该脚入地,LED灭(I/O脚导通时对地的电压降小于1V,LED的域值1.5~1.8V)。

51系列I/O脚使用简单,但高电平时无输出能力,可谓有利有弊。故其他系列的单片机(如PIC系列、AVR系列等)对I/O口进行了改进,增加了方向寄存器以确定输入或输出,但使用也变得复杂。

一些简装的51产品也相应出现,如Atmel公司的AT89C1051、AT89C2051、AT89C4051等(闪速存储器分别为1K、2K、4K等,但不能外接数据存储器),指令系统与AT89C51完全兼容,但引脚均为20脚,不光体积小,而且价格低廉,这使得其他的公司竞相仿照。

不过,原51系列也有许多值得改进之处,如运行速度过慢等。当晶振频率为12MHz时,机器周期达1μs,显然适应不了现代高速运行的需要。华邦公司(Winbond)生产的产品型号为W77系列和W78系列,W78系列与AT89C系列完全兼容。W77系列为增强型,对原有的8051的时序作了改进,每个机器周期从12个时钟周期改为4个周期,使速度提高了三倍,同时,晶振频率最高可达40MHz。W77系列还增加了看门狗WatchDog、两组UART、两组DPTR数据指针、ISP等多种功能。

特别是双数据指针,能给编程带来很大的便利。在51系列中,数据指针DPTR是片内与片外的数据存储器打交道的主要途径(由片外数据存储器读入片内累加器A或由片内累加器A 写入片外数据存储器),也是程序存储器与累加器A之间的数据传送的必由之路。由于频繁的数据交换,特别是数据块的搬运和比较,数据指针非常吃紧,它需要不断地实施现场保护与还原,不光编程变得复杂,而且运行速度也减慢。而当采用两个数据指针时,可以各负其责,互不相扰,轻松地完成上述过程。两个数据指针的选取取决于特殊功能寄存器AUXR1的第D0位DPS。当DPS为0时,选中数据指针DPTR0(复位时DPS也为0);DPS为1时,选中数据指针DPTR1。DPS位不能位寻址,故不能进行布尔操作,但由于AUXR1的D1位被强制为逻辑“0”,不可能发生由D0位向D1位进位之可能,因而可以通过对AUXR1进行增1来使D0位由0变为1或由1变为0,从而达到双数据指针的快速切换的目的,如:

  例3:
  MOVAUXR1,#0 ; DPS为0,DPTR0有效
   ……
  INC AUXR1 ; DPS为1,DPTR1有效
   ……
   INC AUXR1 ; DPS为0,DPTR0有效
   ……

ISP功能能实现在系统可编程,可以省去通用的编程器,单片机在用户板上即可下载和烧录用户程序,而无需将单片机从生产好的产品上取下。未定型的程序还可以边生产边完善,加快了产品的开发速度,减少了新产品因软件缺陷带来的风险。由于可以将程序下载并观看运行结果,故也可以不用仿真器。

单片机的提速运行、双数据指针及ISP功能并非是W77系列所特有的,一些新的型号的51系列产品大都有该功能,如Philips的51LPC系列、AT89系列中的某些型号、STC89C系列等等。有的单片机还附有A/D、D/A转换、片内EEPROM数据存储器、PWM输出、I2C总线、上电复位检测、欠压复位检测等等,这些新系列的单片机,它们都兼容8051的指令系统。增强功能的实现,大都是由片内新增的特殊功能寄存器来进行设置,这些寄存器被安排在片内特殊功能寄存器区间(80~FFH)的预留地址上。

比较有代表性的产品还有STC89C51RC、C8051F331/330等等。可以这么说,新的51产品几乎可以涵盖所有新的功能。由于新型号的芯片种类太多,此处不可能一一列举,读者可根据使用的需求查阅相关的资料.

2.PIC系列

PIC单片机系列是美国微芯公司(Microship)的产品,是当前市场份额增长最快的单片机之一。CPU采用RISC结构,分别有33、35、58条指令(视单片机的级别而定),属精简指令集。而51系列有111条指令,AVR单片机有118条指令,都比前者复杂。采用Harvard双总线结构,运行速度快(指令周期约160~200ns),它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理,这种指令流水线结构,在一个周期内完成两部分工作,一是执行指令,二是从程序存储器取出下一条指令,这样总的看来每条指令只需一个周期(个别除外),这也是高效率运行的原因之一。此外,它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。

PIC系列单片机共分三个级别,即基本级、中级、高级。其中又以中级的PIC16F873(A)、PIC16F877 (A) 用的最多,本文以这两种单片机为例进行说明。这两种芯片除了引出脚不同外(PIC16F873(A)为28脚的PDIP或SOIC封装;PIC16F877(A)为40脚的PDIP或44脚的PLCC/QFP封装),其他的差别并不很大。

PIC系列单片机的I/O口是双向的,其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器(TRISn , 其中n对应各口,如A、B、C、D、E等),从而解决了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。当置位1时为输入状态,且不管该脚呈高电平或低电平,对外均呈高阻状态;置位0时为输出状态,不管该脚为何种电平,均呈低阻状态,有相当的驱动能力,低电平吸入电流达25mA,高电平输出电流可达20mA。相对于51系列而言,这是一个很大的优点,它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。它的A/D为10位,能满足精度要求。具有在线调试及编程(ISP)功能。

该系列单片机的专用寄存器(SFR)并不像51系列那样都集中在一个固定的地址区间内(80~FFH),而是分散在四个地址区间内,即存储体0(Bank0:00~7FH)、存储体1(Bank1 :80~FFH)、存储体2(Bank2 :100~17FH)、存储体3(Bank3 :180~1FFH)。只有5个专用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、 INTCON在4个存储体内同时出现。在编程过程中,少不了要与专用寄存器打交道,得反复地选择对应的存储体,也即对状态寄存器STATUS的第6位(RP1)和第5位(RP0)置位或清零。如:

  例4:
  CLRFSTATUS ;清零RP1, RP0。选择存储体0
   ……
  BSF STATUS,RP0;置位RP0。选择存储体1
   ……
  BCF STATUS,RP0;清零RP0。选择存储体0
   ……

这多少给编程带来了一些麻烦。对于上述的单片机,它的位指令操作通常限制在存储体0区间(00~7FH)。

数据的传送和逻辑运算基本上都得通过工作寄存器W(相当于51系列的累加器A)来进行,而51系列的还可以通过寄存器相互之间直接传送(如:MOV 30H,20H;将寄存器20H的内容直接传送至寄存器30H中),因而PIC单片机的瓶颈现象比51系列还要严重,这在编程中很有感受。

3.AVR系列

AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机,其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期,以时钟周期为指令周期,实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位,且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能,同时完成下一条指令的读取。通常时钟频率用4~8MHz,故最短指令执行时间为250~125ns。该系列的型号较多,但可用下面三种为代表:AT90S2313(简装型)、AT90S8515、AT90S8535(带A/D转换)。

通用寄存器一共32个(R0~R31),前16个寄存器(R0~R15)都不能直接与立即数打交道,因而通用性有所下降。而在51系列中,它所有的通用寄存器(地址00~7FH)均可以直接与立即数打交道,显然要优于前者。

AVR系列没有类似累加器A的结构,它主要是通过R16~R31寄存器来实现A的功能。在AVR中,没有像51系列的数据指针DPTR,而是由X(由R26、R27组成)、Y(由R28、R29组成)、Z(由R30、R31组成)三个16位的寄存器来完成数据指针的功能(相当于有三组DPTR),而且还能作后增量或先减量等的运行,如:

  例5:
  LDRd, X ;将X所指的地址的内容装入寄存器Rd中。
  LDRd,Y+;将Y所指的地址的内容装入寄存器Rd
   中,然后Y的地址增1。
  LDRd,-X ;将X的地址减1所指的地址的内容装入
   寄存器Rd中。

在51系列中,所有的逻辑运算都必须在A中进行;而AVR却可以在任两个寄存器之间进行,省去了在A中的来回折腾,这些都比51系列强。

AVR的专用寄存器集中在00~3F地址区间,无需像PIC那样得先进行选存储体的过程,使用起来比PIC方便。AVR的片内RAM的地址区间为0060~$00DF(AT90S2313) 和 0060~025F(AT90S8515、AT90S8535),它们占用的是数据空间的地址,这些片内RAM仅仅是用来存储数据的,通常不具备通用寄存器的功能。当程序复杂时,通用寄存器R0~R31就显得不够用;而51系列的通用寄存器多达128个(为AVR的4倍),编程时就不会有这种感觉。

AVR的I/O脚类似PIC,它也有用来控制输入或输出的方向寄存器,在输出状态下,高电平输出的电流在10mA左右,低电平吸入电流20mA。虽不如PIC,但比51系列强。

以上的三种AVR型号其管脚与对应的51系列兼容,如AT90S2313与51系列的AT89C2051的管脚兼容(PDIP-20脚),AT90S8515、AT90S8535与51系列的AT89C51兼容

转自: eepw.com

围观 7
903

在MCU中(M16),定时器是独立的一个模块,M16有三个独立的定时器模块,即T/C0、T/C1和T/C2;其中T/C0和T/C2都是8位的定时器,而T/C1是一个16位的定时器。定时器的工作是独立于CPU之外自行运行的硬件模块。

1、定时器何时开始工作(或说计数)的?

当TCCR0!=0x00任何模式下,只要MCU一上电,T/C就开始计时工作。其实TCCR0主要是定时器的预分频和波形模式、比较匹配模式的设置,说到预分频,不得不提一下这个模块,这个模块是T/C0、T/C1共用的一个模块,但可以有不同的分频设置。

2、定时器是如何进行工作的:说到定时器的工作,不得不说三个个重要参数:TCNT0、OCR0,TIMSK,TCNT0是设置定时器的计时初始值,定时器开始工作后立即从TCNT0一直累加到0XFF,累加过程所消耗的时间就是我们需要的定时时间;OCR0是一个比较设定值,当TCNT0的值累计到OCR0时(TNCT0==OCR0),如果有开启比较匹配中断功能,那么此时就会产生比较中断,所以,OCR0的值一般都是设置在TCNT0初始值和0XFF之间,之外的任何值都不会产生比较中断。TIMSK是一个中断使能位设置,就是我们需要计时器溢出中断或是比较匹配中断功能或两者都要时就对TIMSK的相应寄存器位进行设置。

3、定时器的中断使用,一个定时器可以有两个中断资源可利用,一个只溢出中断,另一个是比较匹配中断,如上面2所说的。想说明的溢出中断子程序内一般要有重载TCNT0的初始值,否则,TCNT0就会从0X00开始累加计数到0XFF,所耗费的时间就不我们想要的时间。比较中断就是当TCNT0==OCR0时,发生比较匹配中断;所以,中断子程序中一般只插入少量的处理代码,否则,会发生所谓的中断套嵌的现象,由于M16不支持中断套嵌,这样会使得中断子程序中的部分代码无法执行,严重时会造成系统崩溃。

4、TCNT0和OCR0的值换算:对于8bit的计时器,TCNT0一般可以由下面的公式换算:

TCNT0=256-(TV*F)/N;
TV: 所想要设定的定时时间,单位,us
F: 晶振频率(MHz)
N: 分频因子

定时器是独立运行的,它不占用CPU的时间,不需要指令,只有调用对应的寄存器的时候才需要参与。

以AVR mega16为例,它有三个寄存器,timer0,timer1和timer2,T0和T2是8位定时器,T1是16位寄存器,T2为异步定时器,三个定时器都可以用于产生PWM。

以定时器T0来简单介绍定时器的操作方法,T0有三个寄存器可以被CPU访问,TCCR0,TCNT0,OCR0,下面看一段ICC生成的定时器初始化程序。

//TIMER0 initialize - prescale:8
// WGM: Normal
// desired value: 1KHz
// actual value: 1.000KHz (0.0%)
void timer0_init(void)
{
TCCR0 = 0x00; //stop
TCNT0 = 0x83; //set count
OCR0 = 0x7D; //set compare
TCCR0 = 0x02; //start timer
}

TCCR0为控制寄存器,用于控制定时器的工作模式细节;
TCNT0为T/C 寄存器,它的值在定时器的每个工作周期里加一或减一,实现定时操作,CPU可以随时读写TCNT0;
OCR0:输出比较寄存器,它包含一个8 位的数据,不间断地与计数器数值TCNT0 进行比较。匹配事件可以用来产生输出比较中断,或者用来在OC0 引脚上产生波形。

这里说最简单的模式,TCNT一直加一,到达最大值0xFF然后清零,进入下一次计数,在上面的程序中。

TCCR0=0x00;关闭T0的时钟源,定时器停止工作。
TCNT0=0x83;设置T/C寄存器的初始值,及让定时器从TCNT0从0x83开始定时或计数。
OCR0 = 0x7D;设定比较匹配寄存器的值,这个程序里没有使用。
TCCR0 = 0x02;选择时钟源,来自时钟8分频,设置后定时器就开始工作。

初始化后定时器开始工作,TCNT0在每一个定时器时钟加一,当TCNT0等于OCR0的值时,T/C 中断标志寄存器- TIFR中的OCF0 置位,如果这时候TIMSK中OCIE0为1(即允许T0比较匹配中断),并且全局中断允许,比较匹配中断即运行。中断程序中可以对TCNT0和0CR0进行操作,对定时器进行调整。

TCNT0继续加一,当达到0xFF时,T/C 中断标志寄存器- TIFR中的TOV0置位,如果这时候TIMSK中TOIE0为1(即允许T0溢出中断),并且全局中断允许,溢出中断即运行。中断程序中可以对TCNT0和0CR0进行操作,对定时器进行调整。

和定时器相关的寄存器还有SREG和TIMSK,前者位1控制全局中段允许,后者位1(OCIE0)和位0(TOIE0)分别控制比较匹配中断和溢出比较匹配中断允许。

实际的过程中,定时器相关寄存器的操作非常灵活,可以在溢出中断中修改TCNT0的值,也可以在中断中修改OCR0的值,后面的实验中会讲到用定时器1修改OCR1A的方法实现1S精确定时。

转自: u010312937的博客

围观 22
457

在MCU中(M16),定时器是独立的一个模块,M16有三个独立的定时器模块,即T/C0、T/C1和T/C2;其中T/C0和T/C2都是8位的定时器,而T/C1是一个16位的定时器。定时器的工作是独立于CPU之外自行运行的硬件模块。

1、定时器何时开始工作(或说计数)的?

当TCCR0!=0x00任何模式下,只要MCU一上电,T/C就开始计时工作。其实TCCR0主要是定时器的预分频和波形模式、比较匹配模式的设置,说到预分频,不得不提一下这个模块,这个模块是T/C0、T/C1共用的一个模块,但可以有不同的分频设置。

2、定时器是如何进行工作的?

说到定时器的工作,不得不说三个个重要参数:TCNT0、OCR0,TIMSK,TCNT0是设置定时器的计时初始值,定时器开始工作后立即从TCNT0一直累加到0XFF,累加过程所消耗的时间就是我们需要的定时时间;OCR0是一个比较设定值,当TCNT0的值累计到OCR0时(TNCT0==OCR0),如果有开启比较匹配中断功能,那么此时就会产生比较中断,所以,OCR0的值一般都是设置在TCNT0初始值和0XFF之间,之外的任何值都不会产生比较中断。TIMSK是一个中断使能位设置,就是我们需要计时器溢出中断或是比较匹配中断功能或两者都要时就对TIMSK的相应寄存器位进行设置。

3、定时器的中断使用,一个定时器可以有两个中断资源可利用,一个只溢出中断,另一个是比较匹配中断,如上面2所说的。想说明的溢出中断子程序内一般要有重载TCNT0的初始值,否则,TCNT0就会从0X00开始累加计数到0XFF,所耗费的时间就不我们想要的时间。比较中断就是当TCNT0==OCR0时,发生比较匹配中断;所以,中断子程序中一般只插入少量的处理代码,否则,会发生所谓的中断套嵌的现象,由于M16不支持中断套嵌,这样会使得中断子程序中的部分代码无法执行,严重时会造成系统崩溃。

4、TCNT0和OCR0的值换算:对于8bit的计时器,TCNT0一般可以由下面的公式换算:
TCNT0=256-(TV*F)/N;
TV: 所想要设定的定时时间,单位,us
F: 晶振频率(MHz)
N: 分频因子

定时器是独立运行的,它不占用CPU的时间,不需要指令,只有调用对应的寄存器的时候才需要参与。

以AVR mega16为例,它有三个寄存器,timer0,timer1和timer2,T0和T2是8位定时器,T1是16位寄存器,T2为异步定时器,三个定时器都可以用于产生PWM。

以定时器T0来简单介绍定时器的操作方法,T0有三个寄存器可以被CPU访问,TCCR0,TCNT0,OCR0,下面看一段ICC生成的定时器初始化程序。

CODE:

//TIMER0 initialize - prescale:8
// WGM: Normal
// desired value: 1KHz
// actual value: 1.000KHz (0.0%)
void timer0_init(void)
{
TCCR0 = 0x00; //stop
TCNT0 = 0x83; //set count
OCR0 = 0x7D; //set compare
TCCR0 = 0x02; //start timer
}

TCCR0为控制寄存器,用于控制定时器的工作模式细节;
TCNT0为T/C 寄存器,它的值在定时器的每个工作周期里加一或减一,实现定时操作,CPU可以随时读写TCNT0;
OCR0:输出比较寄存器,它包含一个8 位的数据,不间断地与计数器数值TCNT0 进行比较。匹配事件可以用来产生输出比较中断,或者用来在OC0 引脚上产生波形。

这里说最简单的模式,TCNT一直加一,到达最大值0xFF然后清零,进入下一次计数,在上面的程序中。

TCCR0=0x00;关闭T0的时钟源,定时器停止工作。
TCNT0=0x83;设置T/C寄存器的初始值,及让定时器从TCNT0从0x83开始定时或计数。
OCR0 = 0x7D;设定比较匹配寄存器的值,这个程序里没有使用。
TCCR0 = 0x02;选择时钟源,来自时钟8分频,设置后定时器就开始工作。

初始化后定时器开始工作,TCNT0在每一个定时器时钟加一,当TCNT0等于OCR0的值时,T/C 中断标志寄存器- TIFR中的OCF0 置位,如果这时候TIMSK中OCIE0为1(即允许T0比较匹配中断),并且全局中断允许,比较匹配中断即运行。中断程序中可以对TCNT0和0CR0进行操作,对定时器进行调整。

TCNT0继续加一,当达到0xFF时,T/C 中断标志寄存器- TIFR中的TOV0置位,如果这时候TIMSK中TOIE0为1(即允许T0溢出中断),并且全局中断允许,溢出中断即运行。中断程序中可以对TCNT0和0CR0进行操作,对定时器进行调整。

和定时器相关的寄存器还有SREG和TIMSK,前者位1控制全局中段允许,后者位1(OCIE0)和位0(TOIE0)分别控制比较匹配中断和溢出比较匹配中断允许。

实际的过程中,定时器相关寄存器的操作非常灵活,可以在溢出中断中修改TCNT0的值,也可以在中断中修改OCR0的值,后面的实验中会讲到用定时器1修改OCR1A的方法实现1S精确定时。

师傅领进门,修行靠个人,定时器的基本原理说到这里,要更深入的了解定时器,请看数据手册。

定时公式:Time=PRE*(MAX-TCNT0+1) /F_cpu单位S ,其中,PRE为与分频数,本例中为8,MAX即为最大值255,TCNT0为初始化时的值,本例中为0x83(十进制的131),T_cpu,系统时钟频率,本例中为1000000。

本例程序中定时时间为:Time=8*(255-131+1)/1000000=0.001 S ,即为1ms,1Khz。可以看出,如果晶振选为8M,则定时时间变为0.000125S,也就是说晶振越大,定时时间越短,预分频越大,定时越长。

在设置时如果你选择1ms,会得到如下结果,和上面的1Khz相同。

CODE:

//TIMER0 initialize - prescale:8
// WGM: Normal
// desired value: 1mSec
// actual value: 1.000mSec (0.0%)
void timer0_init(void)
{
TCCR0 = 0x00; //stop
TCNT0 = 0x83; //set count
OCR0 = 0x7D; //set compare
TCCR0 = 0x02; //start timer
}

CODE:

//ICC-AVR application builder : 2007-6-9 0:33:58
// Target : M16
// Crystal: 1.0000Mhz
// 用途:演示定时器的工作原理
// 作者:古欣
// AVR与虚拟仪器 [url]
http://www.avrvi.com[/url]
#include
#include

void port_init(void)
{
PORTA = 0x00;
DDRA = 0x03; //PA0 PA1 输出
PORTB = 0x00;
DDRB = 0xFF; //PB 输出
PORTC = 0x00; //m103 output only
DDRC = 0x00;
PORTD = 0x00;
DDRD = 0x00;
}

//TIMER0 initialize - prescale:8
// WGM: Normal
// desired value: 1KHz
// actual value: 1.000KHz (0.0%)
void timer0_init(void)
{
TCCR0 = 0x00; //stop
TCNT0 = 0x83; //set count
OCR0 = 0x7D; //set compare
TCCR0 = 0x02; //start timer
}

//比较匹配中断
#pragma interrupt_handler timer0_comp_isr:20
void timer0_comp_isr(void)
{
//compare occured TCNT0=OCR0
if(OCR0==0x7D) //调整0x7D
{
OCR0=0x7F;
}
else
{
OCR0=0x7D;
}
PORTA ^= 0x01; //PA0取反
}

//溢出中断中断
#pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:10
void timer0_ovf_isr(void)
{
TCNT0 = 0x83; //reload counter value
PORTA ^= 0x01; //PA0取反
}

//call this routine to initialize all peripherals
void init_devices(void)
{
//stop errant interrupts until set up
CLI(); //disable all interrupts
port_init();
timer0_init();

MCUCR = 0x00;
GICR = 0x00;
TIMSK = 0x03; //timer interrupt sources 允许定时器零匹配和溢出中断
SEI(); //re-enable interrupts
//all peripherals are now initialized
}

void main(void)
{
init_devices();
PORTA=0x00;
while(1)
{
PORTB = TCNT0; //任何时候都可以读TCNT0
}
}

转自: u010312937的博客

围观 7
320

计算机外部设备(如打印机、扫描仪、音响等)的待机能耗不但增加了消费者的日常电费开支,也使电力资源浪费极大。该设计的计算机智能节能插座利用主机的开机和关机来带动其他设备的开或关,使其接口设备待机能耗为零,能够减少计算机及其外设所产生的辐射,以此达到节能和环保功效;同时还具备有分段定时开关的功能。该智能插座也可以通过功能转换作为普通插座使用,不影响其他设备的使用。

1、智能插座的设计

1.1 智能插座的硬件结构

计算机智能节能插座的硬件结构图如图1所示。该控制器以AVR mega 48为控制核心,外围电路主要由电流采样电路、模/数转换参考电压电路、状态显示电路、键盘输入电路和实时时钟构成。电流采样电路用于检测计算机的运行状态和过流保护;数/模转换参考电压电路为电流的采样提供参考;状态显示电路表明插座当前的运行状态;键盘输入实现普通插座与智能插座的切换、设置待机临界电流值、设置分段开关的时间点。计算机主机运行状态通过主机接口的电流互感器检测,过流保护通过另一互感器检测,当电流大于额定电流一定时间时切断受控插座的电源,对外设起到保护作用。由于互感器的感应电流较小,在数/模转换过程用对参考电压的要求较高,该设计采用带隙恒压源TL431作为A/D转换的参考电压。不同的计算机主机的待机电流可能不同,因此通过外部键盘可以采样待机电流为临界值,同时可以设置插座作为普通插座使用;RTC时钟由PCF8563构成。

基于AVR的智能节能插座设计方案

1.2 AVR单片机

AVR微处理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC处理器,具有高性能、高保密性、低功耗等优点,程序存储器和数据存储器可独立访问的哈佛结构,代码执行效率高。该系统采用的mega 48v处理器包含有4 KB片内可编程FLASH程序存储器;512 B的E2PROM和512B RAM;同时片内还集成了看门狗;8路10位ADC;3路可编程PWM输出;具有在线系统编程功能,片内资源丰富,集成度高,使用方便。使用AVR mega48V可以很方便地实现外部输入参数的设置、电流检测、工作状态的指示等。

1.3 电流采样电路

该设计采用电流型电流互感器采样交流电流,一路采样主机接口电流实现开关控制,另一路采样受控接口电流实现过流保护(见图2)。电流互感器的输出信号经过I-V变换后用mega 48采样,根据互感器的变比系数可以计算出电流的有效值。I-V变换的输出电压经过比较器后,若达到过流极限(设定为10 A)则触发外部中断,经过中断程序处理判断是否达到过流值并执行过流保护动作。

基于AVR的智能节能插座设计方案

1.4 电源电路

单片机的工作电压和继电器的线圈侧电压为5 V直流电压,考虑成本和空间因素,采用阻容降压的方式产生。如图3所示。

基于AVR的智能节能插座设计方案

图3中:C3为CBB降压电容;_R13在电源断开后为C3提供放电回路;R4为限流电阻;经过全波整流后D11将电压箝位在5.1V。C3在电路中的容抗XC为:XC=(1/2)πfc,电流,为了满足继电器吸合时的电流要求,取C3的值为1μF,最大电流可以达到100 mA以上。由于为非隔离电源,使用过程中零电位不能与大地相连。

1.5 继电器驱动电路

受控插座的通断是由继电器控制的。该设计采用的线圈侧电压为5V的继电器,用S8050驱动继电器。mega 48具有较强的I/O驱动能力,R17起到限流作用;下拉电阻R18可以避免继电器误动作;D12为继电器断开时提供放电回路。如图4所示。

基于AVR的智能节能插座设计方案

1.6 键盘电路

采用单按键的输入方式,用于设定普通插座和智能插座的功能转换和需要定时开关时的时间设定。在程序运行过程中,通过定时中断检测是否有按键按下。当功能键按下不超过10s时进入定时开关模式,并通过加减按键设定定时开关的时间;当功能键按下超过10 s时切换为普通插座使用,若在需要切换为智能插座,则执行相同的操作。设定的参数和模式保存在mega 48的E2PROM中。

1.7 状态显示和告警电路

该设计采用LCDl602液晶显示系统的状态信息,包括是否采用智能控制,主机运行状态、受控口状态。LCDl602采用7线驱动法,接1 kΩ电阻到地,用于调节液晶显示对比度。显示数据和指令通过LCDl602的DB4~DB7写入。同时具备有声光告警功能,当出现过流或则定时切断时间到时,相应的发光二极管闪烁以及蜂鸣器告警,并执行相应的动作。

1.8 实时时钟电路

实时时钟电路为定时开关提供精确的时间。用CR2025镍氢纽扣电池作为PCF8563的后备电池(见图5)。

基于AVR的智能节能插座设计方案

2、智能插座的软件设计

主程序主要完成对I/O,定时器的初始化、读出存储在E2PROM中的系统参数,同时根据模式设定进入相应的处理程序。该插座可运行于3种模式:智能定时模式、智能节能模式和普通模式。模式的切换通过模式按键来选择。参数的测量主要由中断服务程序定时完成。图6为主程序流程图。

基于AVR的智能节能插座设计方案

由于不同的计算机待机电流大小不一样,因此在使用前需采样主机的待机电流。首先将主机进入待机模式,通过模式按键进入中断后采样此时的电流,并存入E2PROM中。

3、智能插座的测试

将设计的插座按图7的方式连接测试,采用P4双核计算机和17寸显示器进行测试,显示器待机功耗为5W,待机电流约25mA。进入待机状态后,按插座上的采样按钮,将此计算机的待机电流采样存进E2PROM,测试结果表明,当计算机进入待机状态后,插座可以有效的切断显示器的电源。

基于AVR的智能节能插座设计方案

4、结语

本文设计的智能节能插座,具有智能节能和定时开关功能,也可作为普通插座使用。经过测试,系统显示出了良好的控制效果,不仅使计算机外设的待机功率降为零,同时也起到了保护外设的作用,在节能减排方面具有一定的社会效益和广泛的推广价值。

来源: eeworld

围观 4
484
订阅 RSS - AVR