MCU定时器-从度量到设计

乐活   2025-01-27 18:44   内蒙古  

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我一直对一个外设念念不忘,那就是定时器,如果说各种协议是结构定义的集大成者,那定时器就是最灵活的塑造。

什么是时间?估计一天得看八百遍,而且也是在时间的驱动下完成各种任务,我们40分钟一节课,休息十分钟,八点半去上班,等等。时间又是标志,我们说一年又一年,马上要过年,所以又是衡量的手段。

我觉得一定要对时间本身蕴含着的哲学概念烂熟于心,才能真真正正的掌握定时器这一外设,而不是仅限于一个MCU,它更是一种深刻的想法。

时间(英语:time)是一种尺度,在物理定义是标量,借着时间,事件发生之先后可以按过去-现在-未来之序列得以确定(时间点/时刻,point in time/instant),也可以衡量事件持续的期间以及事件之间和间隔长短(时间段,duration)。
这段话道尽了时间的本质,对序列做定位的,而且我们认为它的属性是不可逆的。

我把时间比作一根尺子

让我们想想在上面可以做什么?首先就是可以做度量。

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我们可以从0开始测量,我们也可以选择任意俩点想减,也可以有。所以也叫相对距离。

其实时间最直观的认识就是这样,就像不等式,在拿出来的那一刻,秩序的世界就产生了。

也就是说其实还有绝对和相对的概念,绝对时间是一样的基准,直接度量,这种测量的优点是无可非议,单位统一,但是复杂。

相对就简单了,一个封闭的系统,可以给出绝对的值,但是要求单位的统一,我们使用相对时间多。就比如,路上要走半个小时,无论什么时候这段路按照步行就是半个小时。

在闵考斯基时空中,时间是除了空间三个维度以外的第四维度。长久以来,时间一直是宗教、哲学及科学领域的研究主题之一,但学者们尚且无法为时间找到一个可以适用于各领域、具有一致性且又不循环的定义。
在商业、工业、体育、科学及表演艺术等领域都有一些各自来标示及度量时间的方法。
子弹时间,这个拍的时候是20多个单反拍的
一些简单,争议较小的定义包括“时间是时钟量测的物理量。”及“时间使得所有事情不会同时发生。”时间在国际单位制中的基本单位是秒,1967年起采用的定义为“铯-133原子在基态下的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的时间。”
哲学家对于时间有两派不同的观点:一派认为时间是宇宙的基本结构,是一个会依序列方式出现的维度,像艾萨克·牛顿就对时间有这样的观点。
包括戈特弗里德·莱布尼茨及伊曼努尔·康德在内的另一派认为时间不是任何一种已经存在的维度,也不是任何会“流动”的实存物,时间只是一种心智的概念,配合空间和数可以让人类对事件进行排序和比较。
换句话说,时间不过是人为便于思考宇宙,而对物质运动划分,是一种人定规则。
事实上最有趣的事情是如何计算时间?这才是我们文章的重点~
有仪器和单位两个要点。
其实对于测量或者度量很简单,就是选一个大家公认的基准,用要测量的比基准。
很明显,这个基准是什么?选的大了,不好用,就像电容的F,太大了,太小了,在比的时候最终的值很大,不方便记录。但是最重要的是,大家都要认,四海皆准。
所以一个适中的基准时间就至关重要-时间这里就使用了S。
秒是国际单位制中时间的基本单位,符号是s。有时也会借用英文缩写标示为sec,惟sec于正式文书及学术上应避免使用(应直接使用s)。秒在英文里的原始词义是计算小时的六十分之一(分钟)后,再计算六十分之一。
在公元1000至1960年之间,秒的定义是平均太阳日的1/86,400(在一些天文及法律的定义中仍然适用)。在1960至1967年之间,定义为1960年地球自转一周时间的1/86,400,现在则是用原子的特性来定义。秒也可以用机械钟、电子钟或原子钟来计时。
现在用的最精确的是原子钟。
原子钟(英语:Atomic clock)是一种时钟,它以原子共振频率标准来计算及保持时间的准确。原子钟是世界上已知最准确的时间测量和频率标准,也是国际时间和频率转换的基准,用来控制电视广播和全球定位系统卫星的讯号。

找到一个唯一可以理解的图

1955年,第一个精确的铯原子钟由路易斯·艾森在英国国家物理实验室建成。在过去的半个多世纪中,人们不停的改进铯原子钟,并且使用它作为标准时间和频率测量的基准。这些钟测量频率的精度为2-3×10-14,相当于时间测量的精度为每天2纳秒,或者140万年1秒。目前最先进的铯原子钟的精度超过了10-15,这意味着从6600万年前恐龙灭绝的时代起其误差仅为2秒钟,被认为是“人类目前所达到的最精确的单位实现”。
在现行国际单位制下,在1967年召开的第13届国际度量衡大会对秒的定义是:铯133原子基态的两个超精细能级间跃迁对应辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。

分母是绝对值

这个定义提到的铯原子必须在绝对零度时是静止的,而且在地面上的环境是零磁场。

就是使用了这个东西

我倒也不是说要讲原子物理,我只是说,基准时间的重要性。实际上我们平民,平时使用的记时工具不是这样的。

我们使用钟表。其实是在测量时间间隔-相对的时间段。

时钟是人类最早发明的物品之一,原因是需要持续量测时间间隔,有些自然的时间间隔(如日、闰月及年)可以用观测而得,较短的时间间隔就需要利用时钟。

数千年计时设备的原理也有大幅变化,日晷是利用在物体在一平面上影子的变化来计时,计算时间间隔的仪器也有许多种,包括最广为人知的沙漏。

好漂亮的表啊!!!

对于机械表来说,两部分,一个是稳定的基准产生,后面是指针系统。

擒纵系统具有两部分:

①振动机构,其内的摆轮左右振荡产生固定频率,调节走时快慢。

②擒纵机,则是保持精确和规律性的间歇运动,给传动系稳定的动力。最后作用指针系统,来给我们展示时间。


擒纵机构的功能可以从两方面理解:擒,将主传动的运动锁定(擒住),此时,钟表的主传动链是锁定的;纵,就是以震荡系统的一部分势能,开启(放开)主传动链运动,同时从主传动链中取回一定的能量以维持震荡系统的工作。
这就是个叉子

瑞士的

Paul

能量的来源是这个
摆轮上连结的游丝带动它进行往返运动,将时间切割为完全相同的等分,对表的走时有决定性影响。每一回合往返运动称为摆频,1次摆频细分为2次振频。机械表走得准不准,就决定于摆轮的摆幅,也就是轮子摆动的幅度。

大概就是这样的
其实现在就可以计时了,但是谁会一个一个的数呢?所以需要把这个东西进一步的记录,想法就是倍数,比如10个震动,100个震动的记录一下,到时候一乘就出来了,进一步,我们可以100个震动才记录一下。

就是用这种传动齿轮

中间的转一个大圈,就带动上面的转一点点
在机械手表中,主传动线为增速传动。何为增速传动呢?

如果一元硬币为主动轮,一角硬币为从动轮,则为增速传动。通俗地讲,就是大轮为主动轮带动小轮转动就是增速传动,反之则为减速传动。
齿轮传动时,单位时间里转过的角度为角速度,常记作W。一对相互咬合的齿轮,主动轮角速度为W1,从动角速度为W2。
  1. 若W1=W2,此对齿轮传动,称为等速传动。
  2. 若W1>W2此对齿轮传动,称为减速传动。
  3. 若W1<W2此对齿轮传动,称为增速传动。
所以就有一个精确的基准,然后来对这个基准计数,通过N倍计数这样来形成计数。
再看看石英表:动力来源是来自氧化银扣式电池,由稳定度很高的石英振子与CMOS集成电路的一部分,组成石英表振荡电路。再和石英谐振器使石英振子起振,形成振荡电路源。从振荡电路中输出的高频振荡频率(32768赫兹)。由CMOC电路的整形、倒相、分频、窄脉宽发生,经过16级分频产生出0.5Hz的脉冲信号。

也是电磁铁的

输入线圈,电流在定子内产生可变磁场,与充磁转子的永磁场发生作用,使用转子部件定向转动,转动子齿轴带动传动动轮系,使表针准确地显示时间。
看,把小脉冲变成大脉冲
定时器其实也是这样的原理,里面就是用各种门来实现功能。

首先我们也需要一个稳定的信号来计数,这个信号也可以是外部来的,也就是:

可以对外输入信号计数

基本定时器

因为对外面的脉冲计数,一开始会放在一个寄存器里面,来放触发次数。我们可以从0开始,一个脉冲加一下,也可以一开始就是放满,脉冲来了往下减。其次也可以在溢出,也就是放不下的时候发出一个信号,也就是事件。
外部来讲测量外部信号的频率或脉冲宽度。
因为时钟的频率非常高,我们就可以让它慢一点来计数。预分频器可以将输入时钟信号分频,分频系数为 1 到 65536。通过配置预分频器,可以调整定时器的计数速度。
实现不同时间精度的定时需求。降低功耗(通过降低时钟频率)。

当计数器达到预设的重装载值时,会自动重置为初始值,并继续计数。

我们的时钟是直接开始下一次轮回。

用来生成精确的时间延迟。以及进行周期性任务的触发。比如要求1ms的高电平这种事情。或者每20ms触发一次任务。

我们定时器所有的都是围绕着计时脉冲,以及计数时间到了做什么。

比如:定时器在接收到触发信号(TRGI)后开始计数。实现外部事件触发的定时任务。

比如现在一个传感器的中断引脚进入到了这个定时器,定时器就开始计数,到了10ms,马上告诉主机结束读取,可能是为了功耗或者别的什么。

  1. 更新事件,当计数器达到重装载值时,会产生更新事件。触发周期性任务或生成中断。
  2. 触发事件,当接收到触发信号(TRGI)时,会产生触发事件。触发外部事件响应的任务或生成中断。
  3. 中断生成,更新事件和触发事件可以配置为生成中断。实现事件驱动的任务处理。

其实定时器的种类非常多

这是最简单的单次计数模式。

计数单元的核心组件是一个 16bit 递增计数器 CNT 和一个 16bit 自动重载寄存器 ARR,计数器的时钟可通过预分 频器进行分频。计数寄存器、自动重载寄存器和预分频寄存器可通过软件进行读写,即使在计数器运行时也可执行读写操作。
PSC就是输入进来最小的时间基准,通过CNT来分频,我们最终是计算的这个东西。
计数器 CNT 在计数时钟 CK_CNT 的驱动下累加计数。

就是这样

当计数值到达重载值 ARR 后产生溢出信号 OV 和更新事件 UEV
(OV 信号和 UEV 信号会自动清除),计数器更新中断标志位 BTIMx_ISR.UIF 被硬件置位,同时计数器停止计数。
很简单就是计数,到了规定的时间抛出来一个信号。

连续计数呢,就是这样的,这个CNT就是对CK_CNT计数的,满的时候就OV信号发出来,对OV信号做累加。

这个很好理解,就是一些引脚上面输出电平信息

TOGEN是设置翻转电平的模式,

可以都低,也可以互相相反

这个定时器有这样的几种模式

CLK进来以后,先分频改变成CNT,有了事件就输出

在实际应用中,系统时钟 PCLK 的频率是已知的,通过合理设置预分频器系数 PSC 可以对固定时长的时钟进行计数, 配合对重载值 ARR的设置及计数器事件更新中断标志位的使用,可以精确获得某一特定时长,从而达到定时的目地。

这个公式和所有的ARM都是一样的

STM32定时器之ARR,PSC俩兄弟 以前写过。

PCLK 为计数器时钟源,PSC 为预分频系数,ARR 为重载值。

也就是1/10 s

外部计数就是时钟源是外部输入的

也支持触发启动,定时器可以通过外部或内部的触发信号控制计数器的启动。在某些特定事件发生时启动定时器并进行计数。

主要是这里有个事件出现了

将启动计数器 CNT 对内部时钟 PCLK 经预分频器分频后的CK_CNT 信号进行计数。

我们在实际编程的时候不免的要对中断做操作

在用户中断服务程序中,应查询相关中断标志位,以进行相应的处理,在退出中断服务程序之前, 要清除该中断标志位,以避免重复进入中断服务程序。

其实核心就是对对应的位域做判断。

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云深之无迹
纵是相见,亦如不见,潇湘泪雨,执念何苦。
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