如何高效的擴展定時/計數器？

嵌入式大雜燴 2021-06-26 22:23

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來源：公眾號【魚鷹談單片機】

作者：魚鷹Osprey

ID ：emOsprey

我們都知道，單片機往往都有定時器這個外設，定時器有時候也會用來作為計數器使用，在項目中它的的使用非常頻繁，但有時候卻滿足不了項目的需求。

比如 STM32F1 定時器，通過配置，可以讓定時器的時基為 1 ms，即1ms 計數器增加一次，等達到16位的極限，就會溢出，此時溢出時間 65536 ms = 65.5 s。

這個溢出時間一般能滿足需要，但時間精度卻是 ms 級別的，如何能達到更高的精度又能計時更長時間呢？

STM32 系列有兩種辦法：

1、使用更高級的單片機，比如 STM32F4，它的計數器是 32 位的，精度為 us 的話，也可以延時 4294967295 us = 71.5 min。但是涉及到成本問題。

2、使用主從方式定時，可以將 16 位計數器擴展到 32 位，但這將使用兩個定時器，對于定時器緊張的單片機不合適。

還有一種方式是采用軟件的方式，比如在一個定時器 1ms溢出時，使用變量遞增達到更長的延時時間，同理這種方式精度為 1 ms，如果想達到更高的精度，比如us，就必須把計時器的時間換算到us，然后加上變量的值：

這種方式很容易想到，一般人都會采用這種方式，同時很容易進行擴展，比如將變量從 32 位擴展到 64 位，即使精度為 us，也要很長很長的時間，這段時間，機器早就報廢了。

但是這種方式擴展的計數器，除非將變量擴展為 64位，否則，總會有溢出風險。

而且上述計算方式也是有問題的，32 位 * 1000，最后計算結果賦值給32位，這里會出現問題。

我們可以反算 us 精度下，time_ms 在什么值下time_us會出現溢出問題：

4294967295 / 1000 us 等于4,294,967.295 ms，也就是說，time_ms 不能達到這個溢出值，否則計算就會出現問題。

解決這個問題也簡單，就是將計算擴展為 64 位計算：

如果想延時更長時間，time_ms 使用 64 位，這樣就不必煩惱溢出風險問題，因為在機器有生之年應該是達不到溢出的時候（具體時間可以自己計算一下）。

如果真的需要運行很長的時間，溢出問題還是避免不了。那有什么辦法可以避免溢出風險呢？

事實上，魚鷹接下來介紹的方法，在計時方面唯一的好處就是可以避免溢出風險，但在脈沖計數方面卻有奇效！

如果只是單純的遞增計數器，那么也看不出比上面介紹的軟件方式有多好，但是如果你需要計數的是電機脈沖數呢，這個電機需要正反轉呢？

我們知道，電機有正反轉，一般使用增量式編碼器來確定電機位置和運行方向：

比如上面編碼器輸出的脈沖波形，通過計數和判斷兩個波形的相位差，就可以知道電機處于正轉還是反轉，同時通過計數器，即可達到精確的位置信息。

有經驗的工程師應該知道，一般這種情況下的計數會采用定時器自帶的編碼器接口功能，使用該功能有以下幾個好處：

1、使用硬件計數方式，不占用 CPU（軟件方式是使用外部中斷進行計數，需要占用CPU資源）

2、在電機轉速快的情況下，也不容易丟失脈沖數據，更不會占用 CPU。

3、可以消除變向時的脈沖抖動問題

3、由硬件提供方向信息，即使你的電機控制程序未運行（已初始化），也能準確知道電機是否轉動和轉動方向（當有外部干擾電機運行時，也能準確知道位置和實際運行方向）。

正因為定時器的編碼器功能如此優秀，一般在平衡車等需要精確知道電機的速度、方向、位置等信息時都會采用該接口功能。

但是你在網上看到的大部分資料只能獲得一圈的脈沖（位置）數據，換向換的多了，你就不知道，當前位置是反轉或正轉的第幾圈的哪個位置了。

比如一個電機，正轉1.5圈、反轉2.4圈，再正轉3.2 圈……反反復復情況下，你知道它離原點的總運行距離嗎？

在配置好定時器的情況下，使用該該代碼即可得到準確運行位置(CNT值根據電機轉動方向遞增或遞減)：

static int16_t last_cnt; // 上一次的脈沖。static int32_t plus_cnt; // 相對開始位置的脈沖數， 
int16_t temp,temp2; // 保持和 CNT 的位寬一致
temp = TIM2->CNT;  // ARR 設置為最大值 0xFFFF 即可
temp2 = temp - last_cnt;        // 必須分步plus_cnt += temp2;  // 計算相對脈沖數  錯誤計算 plus_cnt += (temp - last_cnt);last_cnt = temp;                // 保存上一次的值

限于篇幅，只說結論，關于原因，以后有時間再介紹，感興趣可以關注魚鷹。

先說這段代碼要獲得的效果，想象時間可以倒流，即下面的時針可以正向轉動，也可反向轉動，即可以在 12~6~12之間任意方向轉動，并且轉動沒有任何規律。

有一天你想知道，當前時間相比第一次觀察是倒流了還是流逝了多少時間？你是否有辦法準確得到這個時間呢？

如果僅從時針的位置，我們只能知道半天時間里的哪個時間（12 小時的某個時間點），而且還不知道到底在這半天是屬于倒流還是流逝！

但是通過上面的代碼，如果我們知道每一次時間流動時的方向，我們就可以準確知道這個時間是屬于第幾天的哪個時間點！

比如 plus 的值為 -25，我們就知道，時間倒流了 25 小時，根據這個時間，換算天數也就簡單了，倒流了一天又一小時。

現在繼續說說上面代碼注意點：

1、CNT 溢出值必須是位寬的最大值，即如果是 16 位計數器，最大值 0xFFFF，如果是 32 位，則是 0xFFFFFFFF。

2、記錄上一次的計數值 last_cnt 和 plus_cnt 必須是全局（或靜態）變量。

3、因為有方向，所以聲明必須為有符號類型，這樣可以根據符號確定最終的方向。

4、必須分步計算，至于原因，簡單來說，就是只進行 16 位計算，得到的結果也只能是 16 位。

5、每次計算時，必須在上一次 CNT 值到它的一半之間內計算一次，否則計算將出錯。

比如本次計算時，CNT = 123，下一次必須在它大概變成 123 + 32768 = 32891 或者 123 – 32768 = -32645 之前計算一次，否則最終得到的值將是錯誤的。

這樣的條件還是比較容易達到的，我們只要大概得到它最快的變化規律，就可以設置定時器讓它定時累積一次。

6、如果你只是單純的擴展定時器，因為定時器只會在一個方向計數，假如是遞增，那么代碼如下：

static uint16_t last_cnt; // 上一次的脈沖。static uint32_t plus_cnt; // 相對開始位置的脈沖數， 
uint16_t temp,temp2; // 保持和 CNT 的位寬一致
temp = TIM2->CNT;  // ARR 設置為最大值 0xFFFF 即可
temp2 = temp - last_cnt;        // 必須分步plus_cnt += temp2;  // 計算相對脈沖數  錯誤計算 plus_cnt += (temp - last_cnt);last_cnt = temp;                // 保存上一次的值