AVR PROGRAMACIÓN EN C TIMER/COUNTER 0
Los timers o temporizadores son características estándar de casi todos los microcontroladores, así que es muy importante aprender su uso. Los microcontrolador AVR tiene temporizadores muy poderosos y multifuncionales, pueden medir tiempo, generar frecuencias, contar eventos externos, hacer comparaciones, sincronizar tareas, generar una onda PWM, etc. El tema de los timers es un tanto complicado compli cado y extenso, en esta serie de post se trata de dar una breve explicación del funcionamiento y programación del timer0 en el ATmega16. El timer0 del ATmega16 es un contador/temporizador de 8 bits (puede contar hasta 255) síncrono, es decir, que depende del reloj del CPU (sólo su reloj, no el CPU) para funcionar, es un módulo independiente del núcleo del AVR lo que reduce la carga del micro. Cada timer tiene asociado un reloj que fija el paso que debe marcar y una o más unidades compradoras. El reloj del timer0 es derivado del reloj del CPU y puede tener dos fuentes distintas: si se usa la fuente de reloj interna del CPU, el reloj del CPU pasa primero por un divisor de frecuencia (prescaler) y la salida de este divisor va al timer, si se usa us a una fuente de reloj externa por el pin T0, primero será sincronizada con el reloj interno i nterno antes de pasar al prescaler. Los valores de división (prescaler) ya están establecidos est ablecidos para cada timer, en el caso del timer0 la frecuencia del CPU puede ser dividida por un factor de 1, 8, 64, 256 o 1024, generando así la frecuencia de conteo. Por cada unidad comparadora existe un pin asociado a ella, normalmente marcado como OCx (Output Compare x) que es donde se puede generar una frecuencia de salida por la unidad comparadora del timer. El timer0 tiene 4 modos de funcionamiento que se pueden configurar progr amando sus registros asociados: Modo Normal: El timer cuenta desde 0 a 255 y se desborda reiniciando la cuenta. Puede generar interrupción al desbordarse o cuando la comparación comp aración del conteo concuerde con un valor determinado. Modo CTC: En este modo el timer0 es reiniciado r einiciado a 0 cuando una comparación entre el timer y un valor determinado coincide. coinci de. Opcional mente puede configurarse para que al haber una coincidencia genera una interrupción o cambie el estado de un pin. Modo Fast PWM: Este modo permite generar una onda PWM de alta frecuencia. El timer cuenta desde 0 a 255 y reinicia la cuenta. Con cada cuenta el valor del timer0 se compara con un valor determinado que cuando coinciden cambia el estado de uno de los pines de salida PWM, y cuando se reinicia el timer este pin vuelve a cambiar su estado. Modo Phase Correct PWM: Este modo ofrece una onda PWM de alta resolución, a diferencia del modo Fast PWM, el timer cuenta cu enta hacia adelante y hacia atrás a trás antes de hacer el cambio de estado del pin PWM, es decir cuenta de 0 a 255 al llegar a 255 cuenta de 255 a 0, obteniendo una salida PWM más limpia pero de menor frecuencia.
AVR PROGRAMACIÓN EN C REGISTROS DEL TIMER/COUNTER 0
TCCR0: (Timer/Counter Control Register) Este registro configura la frecuencia a la que
trabajará el timer, el modo de trabajo y si el timer controlará la salida del pin asociado a el, en este caso el pin OC0.
FOC0: Escribiendo un 1 en este bit, fuerza a que se realice una coincidencia de comparación y actúa sobre el pin OC0 si se usa. WGM01:0: Configura el modo de funcionamiento del timer0.
COM01:0: Estos bits configuran el uso del pin OC0 con el modulo de comparación dependiendo del modo que se trabaje.
AVR PROGRAMACIÓN EN C Salida del comparador en modo NO-PWM (Normal ó CTC)
Salida del comparador en modo FAST PWM
Salida del comparador en modo PHASE CORRECT PWM
CS02:0: Con estos bits se selecciona la fuente del reloj para el timer, puede ser interna con un prescaler o externa con una señal de reloj en el pin T0.
AVR PROGRAMACIÓN EN C TCNT0: (Timer/Counter Register) Este registro es el que guarda la cuenta del Timer/Counter0
(0 a 255).
OCR0: (Output Compare Register) Aquí se guarda el valor a comparar con el registro TCNT0.
Cuando el valor del registro TCNT0 coincide con el valor guardado en este registro, se realiza el evento programado para la coincidencia en comparación, ya sea generar una interrupción o cambiar el estado del pin OC0.
TIMSK: (Timer Interrup Mask Register) En este registro se encuentran los bits de habilitación
de interrupciones para cada timer, a nosotros nos interesa el bit TOIE0(0) y OCIE0(1) que son los correspondientes al timer0.
TOIE0: Escribir a 1 en este bit habilita la interrupción por desbordamiento del TimerCounter0 (Timer/Counter Overflow Interrupt Enable 0) si también se habilitan las interrupciones globales con el bit I en SREG. OCIE0: Escribir a 1 en este bit habilita la interrupción por coincidencia en la comparación del Timer/Counter0con el registro OCR0 (Output Compare Interrupt Enable 0), si también se habilitan las interrupciones globales con el bit I en SREG. TIFR: (Timer Interrup Flag Register) En este registro se encuentran las banderas de
interrupciones para cada timer, a nosotros nos interesa el bit TOV0(0) y OCF0(1) que son los correspondientes al timer0.
TOV0: Cuando este bit se pone a 1 se genera la interrupción por desbordamiento del Timer/Counter0. Este bit se limpia cuando cuando entra a la función que atiende la interrupción o escribiendo un 1 en este bit.
AVR PROGRAMACIÓN EN C OCF0: Cuando este bit se pone a 1 se genera la interrupción por coincidencia en la comparación del Timer/Counter0 con el registro OCR0. Este bit se limpia cuando cuando entra a la función que atiende la interrupción o escribiendo un 1 en este bit. Como se mencionó anteriormente, los timers son complicados, así que en este primer post dedicado al Timer/Counter0, se verá su funcionamiento en modo Normal con ejemplos que usen poleo e interrupciones y fuentes de reloj internas y externas. Se hace esto de explicar un modo en cada post con el fin de profundizar y utilizar todas las características del timer.
Timer/Counter0 en Modo Normal
En este modo el timer0 cuenta desde BOTTOM hasta TOP (BOTTOM = 0, TOP = 255) y al pasar la cuenta empieza de nuevo desde BOTTOM. El timer puede generar interrupciones de desbordamiento (al pasar de TOP a BOTTOM) y de coincidencia en comparación con el registro OCR0. En estos primero ejemplos se usara el reloj del CPU como fuente de reloj para el timer, descartando el pin T0. Para saber a que frecuencia y con que periodo trabajará el timer, es necesario saber algunas fórmulas para calcular tiempos con exactitud. Para calcular la frecuencia del timer, se divide la frecuencia del CPU entre el prescaler deseado:
Por lo que el periodo de la cuenta del timer sería el inverso a la frecuencia del timer:
Esto significa que el timer se incrementara cada Ttimer segundos, si queremos saber cada cuanto tiempo se desbordará el timer, se multiplica el periodo del timer por la resolución del timer, que en este caso es de 8 bits (256):
Con la fórmula anterior podemos saber cada cuanto tiempo se desborda el timer, pero si queremos saber el que valor que debe de tener el timer para un determinado tiempo dentro del rango Toverflow se aplica una sencilla regla de 3:
AVR PROGRAMACIÓN EN C
Por ejemplo: Supongamos que tenemos nuestro micro con una frecuencia de 8 Mhz y un prescaler para el timer de 1024, la frecuencia del timer sería: Ft = 8000000 Hz / 1024 = 7812.5 Hz Tt = 1 /7812.5 Hz = 0.000128 segundos = 128 microsegundos Tovf = 128 microsegundos * 256 = 32768 microsegundos = 32.8 ms
Con estos valores el timer se desbordaría cada 32.8 milisegundos, si queremos medir en intervalos de 10 milisegundos, aplicamos la regla de 3 para saber que valor tendrá el timer cuando hayan transcurrido 10 ms: Cuenta del Timer = 10 ms * 256 / 32.8 + 1 = 79.4
Esto quiere decir que cuando el timer haya contado 79 pasos habrán transcurrido aproximadamente 10 ms.
AVR PROGRAMACIÓN EN C EJEMPLOS Ejemplo1: configuraremos el timer0 con un prescaler de 1024 con una frecuencia de CPU =
8Mhz para que el timer se desborde cada 32ms, y una vez que se desborde cambaremos el estado de un led en el puerto PB0: // #include
int main(void) { // Timer0 modo normal, sin usar el pin OC0, prescaler de 1024 TCCR0 = _BV(CS00) | _BV(CS02); // Puerto PB0 como salida. DDRB = _BV(PB0); PORTB = 0; while(1) { // si ya hubo desbordamiento del timer0: if( (TIFR & _BV(TOV0)) ){ PORTB ^= _BV(PB0); // conmuta el led TIFR |= _BV(TOV0); // limpia la bandera } } return 0; } //
Primeramente el programa configura el timer y el puerto PB0 como salida y en el ciclo infinito checa constantemente la bandera de interrupción por desbordamiento del timer, si está en 1 quiere decir que el timer se ha desbordado (pasó de 255 a 0) y se conmuta el estado del led para despues limpiar la bandera de interrupción.
AVR PROGRAMACIÓN EN C Ejemplo2: Este ejemplo tiene el mismo objetivo que el anterior, cambiar el estado del led al
desbordarse el timer, solo que aquí en vez de estar checando la bandera de desbordamiento, se usa la interrupción por desbordamiento del timer0 que se ejecuta cada 32 ms, lo que libera al CPU para ejecutar otras tareas. // #include #include int main(void) { // Timer0 modo normal, sin usar el pin OC0, prescaler de 1024 TCCR0 = _BV(CS00) | _BV(CS02); // habilta interrupción por desbordamiento de timer0 TIMSK = _BV(TOIE0); // habilita interrupciones globales sei(); // Puerto PB0 como salida. DDRB = _BV(PB0);; PORTB = 0; while(1) {} // CPU libre return 0; } // función para atender la interrupción ISR(TIMER0_OVF_vect){ // se conmuta el estado del led PORTB ^= _BV(PB0); } //
AVR PROGRAMACIÓN EN C Ejemplo3: En este ejemplo se usa el timer para contar intervalos de 10 milisegundos, que se
almacenarán en una variable para generar un retardo de 1 segundo para parpadear un led. Se necesita saber cual es el valor del timer para 10 ms, se usa la regla de 3: Cuenta del Timer = 10 ms * 256 / 32.8 + 1 = 79.4, cuando el timer cuente 79 pasos habran transcurrido 10 ms. // #include #define RETARDO 1000
// 1000 milisegundos - 1 segundo
int main(void) { int milis=0; // Timer en modo normal, sin salida por OC0 con prescaler de 1024 TCCR0 = _BV(CS00) | _BV(CS02); // Puerto PB0 como salida. DDRB = _BV(PB0); PORTB = 0; while(1) { if(TCNT0 >= 79) // si ya pasaron 10 milisegundos { TCNT0=0; if((milis+=10) >= RETARDO) // si ya pasaron 1000 milisegundos { // cambia el estado del led PORTB ^= _BV(PB0); // reinicia el contador de milisegundos milis=0; } } } return 0; } //
Como se ve, se tiene que estar haciendo la comparación del valor del timer constantemente para saber si ya pasaron 10 ms, esto le toma tiempo al procesador. Para ahorrar ese tiempo muerto se pueden emplear dos métodos: el primero es haciendo que el timer se desborde cada 10 ms, o sea, cada que pasen 79 incrementos y así hacer todo desde la función de interrupción por desbordamiento, y el segundo es usar la interrupción por coincidencia en comparación con el timer0 y el registro OCR0, así el registro de comparación se carga con el valor 79 (para 10 ms) y cuando el valor del timer0 coincida con el valor del registro OCR0, se ejecutará el código en dicha interrupción. Es necesario reiniciar el valor del timer a 0 en la función de interrupción para que vuelva a contar, de lo contrario el timer seguirá su cuenta hasta el desbordamiento y no se ejecutara la interrupción en ese lapso.
AVR PROGRAMACIÓN EN C Programa 1: Interrupción por desbordamiento. // #define RETARDO 1000 // 1000 milisegundos - 1 segundo #define F_CPU 8000000 #define LED PB0 #include #include volatile int milis=0; int main(void) { // Timer en modo normal, sin salida por OC0 con preescaler de 1024 TCCR0 = _BV(CS00) | _BV(CS02); // Activa interrupción por debordamiento del timer0 TIMSK = _BV(TOV0); // puerto PB0 como salida DDRB = _BV(LED); PORTB = 0; // carga el timer con 177 para que se desborde a los 10ms TCNT0 = 177; // Avtiva interrupciones globales sei(); while(1) { } return 0; } ISR(TIMER0_OVF_vect){ // El timer se desborda cada 10ms // recarga el timer con 177 de nuevo TCNT0 = 177; if((milis += 10) >= RETARDO){ milis=0; PORTB ^= _BV(LED); } } //
AVR PROGRAMACIÓN EN C Programa 2: Interrupción por Coincidencia en comparación. // #define RETARDO 1000 // 1000 milisegundos - 1 segundo #define F_CPU 8000000 #define LED PB0 #include #include volatile int milis=0; int main(void) {
// Timer en modo normal, sin salida por OC0 con preescaler de 1024 TCCR0 = _BV(CS00) | _BV(CS02); // Activa interrupción por comparación del timer0 TIMSK = _BV(OCIE0); // puerto PB0 como salida DDRB = _BV(LED); PORTB = 0; // carga registro comparador con 79 OCR0 = 79; // Avtiva interrupciones globales sei(); while(1) { } return 0; } ISR(TIMER0_COMP_vect){ // reinicia el timer TCNT0 = 0; if((milis += 10) >= RETARDO){ milis=0; PORTB ^= 0xFF; } } //
Como se ve en este segundo ejemplo, el timer se tiene que reiniciar cada que la comparación coincide, para evitar esto, se usa el modo CTC del timer, que automáticamente limpia el timer cuando coincide con el registro OCR0, este modo se explicará en el siguiente post relacionado a el timer0 del ATmega16.
AVR PROGRAMACIÓN EN C Como se vio en la parte 1, el timer/counter0 tiene distintos modos de trabajo, en esa parte se vio el modo normal, que solo cuenta de 0 a 255 de manera ascendente y puede generar interrupción al desbordarse o al coincidir con el registro OCR0. En esta parte veremos el modo CTC (Clear Timer on Compare) que reinicia el timer0 cuando los valores del registro OCR0 y el registro TMR0 coinciden, y este evento puede generar una interrupción o cambiar el estado de un pin del microcontrolador. Este modo del timer es útil para generar una salida de onda cuadrada por el pin OC0 (Output Compare 0), que es el pin asociado al módulo comparador del timer0, ya sea dejando el periodo definido en el registro OCR0 o cambiando este periodo al atender la interrupción que se genera al coincidir la comparación del registro OCR0 con el TMR0. Estos registros se describen más detalladamente en la primera parte de los tutoriasl del Timer/Counter0. La mejor manera de aprender es con el ejemplo, y mas si el ejemplo tiene aplicación, y como se menciono antes, este modo sirve para generar una salida de onda cuadrada de frecuencia más o menos variable, y que además de todo puede controlar el estado de el pin OC0, haremos un programa que simule un control remoto emisor. La gran mayoría de los controles remotos funcionan transmitiendo señales de luz infrarroja en forma de pulsos a una frecuencia de 38Khz, aunque también se utilizan frecuencias de 30, 36 y 56 KHz. Los receptores infrarrojos reciben la luz modulada a esta frecuencia y la convierten en niveles lógicos de 1’s y 0’s, un 0 para la presencia de luz y un 1 para la ausencia de luz, por lo que se podría decir que los receptores trabajan con lógica negada. Los modelos más comunes de receptores son el TSOP1738 y el VS1838, que funcionan a una frecuencia de 38kHz, y es el que usaremos. Entonces, lo que tendremos que hacer, es un circuito que emita pulsos infrarrojos a 38khz para que el receptor los pueda recibir y decodificar. En este ejemplo lo que se quiere es ejemplificar el uso del timer0 como generador de frecuencia, por lo que solo veremos el transmisor, ya en otro post se verá como hacer el receptor y así poder dotar fácilmente a nuestros proyectos de comunicación infrarroja con un protocolo propio. El circuito no es más que un led infrarrojo conectado al pin OC0 y un push-button conectado a cualquier otro pin. El funcionamiento seria que cuando se presione el push-button el Led infrarrojo se encienda a una frecuencia de 38khz y cuando se suelte se apague. Para generar la frecuencia de 38 kHz usaremos el timer0 en modo CTC, que conmuta el estado del pin OC0 cada que la cuenta del timer coincide con el registro OCR0, generando una señal de onda cuadrada. Para encender y apagar el Led, se usa un push button conectado a pin INT0, pata atender al botón en una interrupción. La manera de encender el Led es cambiando la dirección del pin, si el pin es de salida encenderá el led con la señal enviada por el modulo CTC, si el pin es de entrada esta señal no tiene efecto en el pin manteniendo al led apagado.
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Para establecer al timer0 en modo CTC, se deben programar los bits WMG00 y WMG01 del registro TCCR0 con 0 y 1 respectivamente. Para que cambie el estado del pin OC0 en cada comparación se programan los bits COM00 y COM01 con 1 y 0 respectivamente. Para establecer el prescaler de 8 para el timer se programan los bits CS0, CS1 y CS2 con 0, 1 y 0 respectivamente. Para calcular la frecuencia de la onda que genera el timer en modo CTC, el datasheet tiene la siguiente fórmula:
Donde Focn es la frecuencia a calcular, Fclk es la frecuencia del microcontrolador, N es el prescaler del timer ( 1, 8, 64, 256 o 1024) y OCRn es el valor del registro OCR0. Como lo que se desea saber es el valor del registro OCR0, de la fórmula anterior solo hay que despejar el valor OCRn, quedando:
AVR PROGRAMACIÓN EN C Ahora sólo se sustituye la Focn en la fórmula con la frecuencia deseada y obtendremos el valor que hay que cargar en el registro OCR0, que para este caso lo deseado es 38kh (38000 Hz). Con un microcontrolador funcionando a 8Mhz y con un prescaler de 8 para el timer, el valor del registro OCR0 seria:
El valor que se tiene que escribir en el registro OCR0 es 12 para generar una frecuencia de 38khz. El programa propuesto para realizar esta tarea sería el siguiente: // #define F_CPU 8000000 #define BUTTON PORTD2 // Push Button conectado a PD2 #include #include #include void InitiSystem(){ DDRD &= ~_BV(BUTTON); //Puerto PD2 como entrada. PORTD |= _BV(BUTTON); // Activa Pull-Up de PD2 // Timer0 en modo CTC, prescaler de 8 y cambio de estado de pin OC0 // cada coincidencia del registro OCR0 y TCNT0 TCCR0 = _BV(WGM01) | _BV(COM00) | _BV(CS01); // Registro OCR0 con 12 para generar una señal de 38khz OCR0 = 12; // Habilita interrupcion en INT0 GICR = _BV(INT0); // Configura interrupcion por flanco de bajada en pin INT0 MCUCR = _BV(ISC01); // Habilita interrupciones globales. sei(); } int main(void) { InitiSystem(); while(1) { } return 0; }
AVR PROGRAMACIÓN EN C // Función para atender la interrupción INT0 del push button ISR(INT0_vect){ // Cambia la dirección del puerto OC0, si es de entrada // lo pone como salida (enciende led) si es de salida // lo pone como entrada (apaga el led) DDRB ^= _BV(PB3); // pausa para eliminar rebotes. _delay_ms(30); } //
