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如何高效的扩展定时/计数器?

The following article is from 鱼鹰谈单片机 Author 鱼鹰Osprey

源:公众号【鱼鹰谈单片机】
作者:鱼鹰Osprey
ID   :emOsprey

我们都知道,单片机往往都有定时器这个外设,定时器有时候也会用来作为计数器使用,在项目中它的的使用非常频繁,但有时候却满足不了项目的需求。
比如 STM32F1 定时器,通过配置,可以让定时器的时基为 1 ms,即1ms 计数器增加一次,等达到16位的极限,就会溢出,此时溢出时间 65536 ms = 65.5 s。
这个溢出时间一般能满足需要,但时间精度却是 ms 级别的,如何能达到更高的精度又能计时更长时间呢?
STM32 系列有两种办法:
1、使用更高级的单片机,比如 STM32F4,它的计数器是 32 位的,精度为 us 的话,也可以延时 4294967295 us = 71.5 min。但是涉及到成本问题。
2、使用主从方式定时,可以将 16 位计数器扩展到 32 位,但这将使用两个定时器,对于定时器紧张的单片机不合适。

还有一种方式是采用软件的方式,比如在一个定时器 1ms溢出时,使用变量递增达到更长的延时时间,同理这种方式精度为 1 ms,如果想达到更高的精度,比如us,就必须把计时器的时间换算到us,然后加上变量的值:
这种方式很容易想到,一般人都会采用这种方式,同时很容易进行扩展,比如将变量从 32 位扩展到 64 位,即使精度为 us,也要很长很长的时间,这段时间,机器早就报废了。
但是这种方式扩展的计数器,除非将变量扩展为 64位,否则,总会有溢出风险。
而且上述计算方式也是有问题的,32 位 * 1000,最后计算结果赋值给32位,这里会出现问题。
我们可以反算 us 精度下,time_ms 在什么值下time_us会出现溢出问题:
4294967295 / 1000 us 等于4,294,967.295 ms,也就是说,time_ms 不能达到这个溢出值,否则计算就会出现问题。
解决这个问题也简单,就是将计算扩展为 64 位计算:
如果想延时更长时间,time_ms 使用 64 位,这样就不必烦恼溢出风险问题,因为在机器有生之年应该是达不到溢出的时候(具体时间可以自己计算一下)。
如果真的需要运行很长的时间,溢出问题还是避免不了。那有什么办法可以避免溢出风险呢?
事实上,鱼鹰接下来介绍的方法,在计时方面唯一的好处就是可以避免溢出风险,但在脉冲计数方面却有奇效!
如果只是单纯的递增计数器,那么也看不出比上面介绍的软件方式有多好,但是如果你需要计数的是电机脉冲数呢,这个电机需要正反转呢?
我们知道,电机有正反转,一般使用增量式编码器来确定电机位置和运行方向:
比如上面编码器输出的脉冲波形,通过计数和判断两个波形的相位差,就可以知道电机处于正转还是反转,同时通过计数器,即可达到精确的位置信息。
有经验的工程师应该知道,一般这种情况下的计数会采用定时器自带的编码器接口功能,使用该功能有以下几个好处:
1、使用硬件计数方式,不占用 CPU(软件方式是使用外部中断进行计数,需要占用CPU资源)
2、在电机转速快的情况下,也不容易丢失脉冲数据,更不会占用 CPU。
3、可以消除变向时的脉冲抖动问题
3、由硬件提供方向信息,即使你的电机控制程序未运行(已初始化),也能准确知道电机是否转动和转动方向(当有外部干扰电机运行时,也能准确知道位置和实际运行方向)。

正因为定时器的编码器功能如此优秀,一般在平衡车等需要精确知道电机的速度、方向、位置等信息时都会采用该接口功能。
但是你在网上看到的大部分资料只能获得一圈的脉冲(位置)数据,换向换的多了,你就不知道,当前位置是反转或正转的第几圈的哪个位置了。

比如一个电机,正转1.5圈、反转2.4圈,再正转3.2 圈……反反复复情况下,你知道它离原点的总运行距离吗?
在配置好定时器的情况下,使用该该代码即可得到准确运行位置(CNT值根据电机转动方向递增或递减):
static int16_t last_cnt; // 上一次的脉冲。static int32_t plus_cnt; // 相对开始位置的脉冲数,
int16_t temp,temp2; // 保持和 CNT 的位宽一致
temp = TIM2->CNT; // ARR 设置为最大值 0xFFFF 即可
temp2 = temp - last_cnt; // 必须分步plus_cnt += temp2; // 计算相对脉冲数 错误计算 plus_cnt += (temp - last_cnt);last_cnt = temp; // 保存上一次的值
限于篇幅,只说结论,关于原因,以后有时间再介绍,感兴趣可以关注鱼鹰。
先说这段代码要获得的效果,想象时间可以倒流,即下面的时针可以正向转动,也可反向转动,即可以在 12~6~12之间任意方向转动,并且转动没有任何规律。
有一天你想知道,当前时间相比第一次观察倒流了还是流逝了多少时间?你是否有办法准确得到这个时间呢?
如果仅从时针的位置,我们只能知道半天时间里的哪个时间(12 小时的某个时间点),而且还不知道到底在这半天是属于倒流还是流逝
但是通过上面的代码,如果我们知道每一次时间流动时的方向,我们就可以准确知道这个时间是属于第几天的哪个时间点!
比如 plus 的值为 -25,我们就知道,时间倒流了 25 小时,根据这个时间,换算天数也就简单了,倒流了一天又一小时。
现在继续说说上面代码注意点:
1、CNT 溢出值必须是位宽的最大值,即如果是 16 位计数器,最大值 0xFFFF,如果是 32 位,则是 0xFFFFFFFF。
2、记录上一次的计数值 last_cnt 和 plus_cnt 必须是全局(或静态)变量。
3、因为有方向,所以声明必须为有符号类型,这样可以根据符号确定最终的方向。
4、必须分步计算,至于原因,简单来说,就是只进行 16 位计算,得到的结果也只能是 16 位。
5、每次计算时,必须在上一次 CNT 值到它的一半之间内计算一次,否则计算将出错。
比如本次计算时,CNT = 123,下一次必须在它大概变成 123 + 32768 = 32891 或者 123 – 32768 = -32645 之前计算一次,否则最终得到的值将是错误的。
这样的条件还是比较容易达到的,我们只要大概得到它最快的变化规律,就可以设置定时器让它定时累积一次。
6、如果你只是单纯的扩展定时器,因为定时器只会在一个方向计数,假如是递增,那么代码如下:
static uint16_t last_cnt; // 上一次的脉冲。static uint32_t plus_cnt; // 相对开始位置的脉冲数,
uint16_t temp,temp2; // 保持和 CNT 的位宽一致
temp = TIM2->CNT; // ARR 设置为最大值 0xFFFF 即可
temp2 = temp - last_cnt; // 必须分步plus_cnt += temp2; // 计算相对脉冲数 错误计算 plus_cnt += (temp - last_cnt);last_cnt = temp; // 保存上一次的值
只要改变变量类型即可。但是也要注意在它溢出前必须计算一次,否则就可能计算出错,而且溢出值必须是最大值,而不能随意更改。

以上结论可能对你而言比较难理解,但是当你有这种类似的需求,回过头来再看这些,你会发现其中的巧妙。而当你真正理解了《延时功能进化论》是如何避免溢出风险的,相信有了鱼鹰的提醒,理解它们也不是难事。


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