Stm32. Переходим на современный C++. Часть 6. Таймеры общего назначения и модуль сравнения.

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 CNT) 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 RM, можно отнести следующее:

• 16/32-битный счетчик с 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 (начало/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 таймером:

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 также в RM. Например, для таймера 2 контроллера Stm32f103, ITR0 ... ITR1 подключены соответственно к таймерам 1, 8, 3, 4. Мультиплексор позволяет выбрать одну из четырех линий в качестве выходной, что задается двумя младшими битами 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): режим энкодера 1, счетчик изменяется по фронту TI2FP1 на единицу вверх/вниз в зависимости от состояния TI1FP2;
• 010 (Encoder mode 2): режим энкодера 2, счетчик изменяется по фронту TI1FP2 на единицу вверх/вниз в зависимости от состояния TI2FP1;
• 011 (Encoder mode 3): режим 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 уровень 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.

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

• 000 (Frozen): сравнение счетчика 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 с 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 шаблоном 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 триггера, тип ExternalTriggerPrescaler является перечислением со следующими значениями:
  • PrescalerOff;
  • Divide2
  • Divide4
  • Divide8

GPTimer::ChannelBase.

Вложенный шаблон класса OutputCompare 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 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. На следующем занятии продолжим рассматривать таймеры общего назначения и разберемся с использованием модуля захвата сигнала.