Mikrocontroller-Einstieg mit myAVR Teil 4/7

Dass Zähler ein zentraler Bestandteil nahezu jeder digitalen Schaltung sind, ist nichts Neues. Sie sorgen u. a. dafür, dass zu einer bestimmten Zeit ein bestimmtes Ereignis ausgelöst wird. Sie benötigen einen Takt, dessen Frequenz um einen bestimmten Faktor geteilt wird – so entsteht eine zeitlich bezogene Steuerung, ein so genannter Timer. Auch die Timer des AVR-Controllers funktionieren auf dieser Basis. Und sie haben bei den meisten Aufgaben, die der Controller bekommt, eine Menge zu tun, um zeitliche Abläufe zu regeln. Unser ATmega 8 besitzt drei Timer mit unterschiedlicher Verarbeitungsbreite und unterschiedlichen Aufgaben. Alle Timer sind interruptfähig, sind also als interne Interruptquelle über die Interrupt-Vektor- Tabelle einbindbar (vgl. dazu auch Tabelle 1 im Teil 3). Je nach Timerkonfiguration und Timerart können folgende Ereignisse einen Interrupt auslösen:

• Nulldurchlauf (Overflow, der Timer zählt herauf oder herab, bis er an den Wert 0 gelangt und löst dann einen Interrupt aus)
• Vergleichswert (Compare, der Timer zählt bis zu einem in einem Register abgelegten Zahlenwert und löst bei dessen Erreichen einen Interrupt aus)
• externer Zählimpuls (Capture, Auslösung eines Interrupts bei Erreichen einer bestimmten Anzahl von externen Zählimpulsen)

Als Taktquelle für den Timer dient in den allermeisten Fällen der interne Prozessortakt, seltener ein externer Takt.

Wir wollen die grundsätzliche Arbeitsweise am 8-Bit-Timer/Counter 0 betrachten (Abbildung 36). Er setzt sich aus mehreren Elementen zusammen. Da ist zunächst die eigentliche Timerlogik, die die Taktauswahl und -generierung, darunter auch aus externen Taktquellen, realisiert und einen 10-Bit-Vorteiler beherbergt, der je nach Aufgabe den Eingangstakt um die Faktoren 8, 64, 256 oder 1024 teilt. Der „Rest“ sind wiederum Register, die nach entsprechendem Laden die Aufgaben des Timers festlegen:

• TCNT0: Timer/Counter 0, das Zählerregister, in dem das eigentliche Zählen stattfindet. Bei Überlauf (Nulldurchgang) wird ein Signal an die Kontroll- Logik abgegeben.
• TIMSK: Timer Interrupt Mask Register; dient der Konfiguration der Interrupt- Ausgabe (Interrupt-Maskierung, siehe Teil 3: Interruptbefehle und -register).
• TCCR0: Timer Counter Control Register, dient als Steuerregister der Konfiguration, z. B. des gewünschten Teilerfaktors.
• TIFR: Timer Interrupt Flag Register, dient zum Auswerten des Interrupt- Status. Sind hier z. B. das Flag TOV0 (Timer/Counter 0 Overflow Flag) und im Register TIMSK das Flag TOIE0 (Timer/Counter 0 Overflow Interrupt Enable, Interrupt aktiviert) gesetzt, erfolgt die Ausführung des Timer-Interrupts. Die Register werden für alle drei Timer gemeinsam genutzt, während die Kontroll- Logik und das Zählerregister sich entsprechend der Aufgabe des jeweiligen Timers unterscheiden. So verfügt z. B. Timer 1 über eine Verarbeitungsbreite von 16 Bit (Zählumfang bis 65.535 für längere und präzisere Zeitmessung als mit Timer 0) und einen so genannten Waveform Generation Mode, über den eine Pulsweiten-Modulation möglich ist. So kann man z. B. die Helligkeit einer LED modulieren oder die Drehzahl eines Motors steuern.

Um nun aus diesem Systemtakt 440 Hz zu erzeugen, ist mittels der Möglichkeiten, die der Vorteiler des Zählers und der Zäh ler selbst bieten, der Systemtakt herab zuteilen. Dabei muss beachtet werden, dass der Vorteiler-Faktor so zu wählen ist, dass die gewünschte Wartezeit im 8-Bit-Zählbereich des Zählers von 1 bis 255 liegt. Die Wartezyklen werden dann bei jedem Interrupt des Timers als Differenz zu 255 in den Zähler geladen. Eine Re-Initialisierung bei diesem Differenzwert bewirkt, dass die Zyklen bis zum nächsten Nulldurchlauf wieder herabgezählt werden. Bei der relativ geringen Auflösung unseres 8-Bit-Zählers und der ganzzahligen Teilung wird nicht jede gewünschte Frequenz exakt erreicht werden, so auch unsere 440 Hz. Denn wenn wir die Taktzyklen exakt durch die Vorteiler-Faktoren teilen, ergeben sich immer Nachkommastellen, die mit dem ganzzahligen Zähler nicht zu realisieren sind. Wir vernachlässigen jedoch hier die geringe Abweichung, die unter einem Prozent liegt. Wir teilen also die o. g. 4189 Taktzyklen durch 64, 256 und 1024 und erhalten als nächstliegende ganze Zählerwerte entsprechend 65, 16 und 4. Rechnen wir zurück:

64 x 65 = 4160
256 x 16 = 4096
1024 x 4 = 4096
 

4160 liegt dem Ziel 4189 am nächsten, also wählen wir die Kombination: Vorteiler 64, und Re-Initialisierungswert 190 (255 – 65). Auf diese Weise kann man nahezu jede beliebige Frequenz bis herauf zur Taktfrequenz (dann ist der Vorteiler über das Register TCCR0 abzuschalten) erzeugen. Nachdem wir nun alle benötigten Voraussetzungen besprochen haben, was zeigt, wie man eine zu lösende Aufgabe vorab durchdenken muss, können wir nun an das Schreiben des Programms gehen.

In der nach der Interrupt-Auslösung aufgerufenen Interrupt-Service-Routine „onTC0“ finden wir einen neuen Befehl: com – das Einerkomplement. Der bedeutet hier, dass mit dem Interrupt ein Signalwechsel an Port B stattfindet und so ein Ton ausgegeben wird (Einerkomplement: jede Zahl wird durch ihr Gegenteil ersetzt, also 0 wird 1 und die 1 wird 0).
Beispiel:

Zahl 00010011 (19)
Einer-Komplement 11101100 (236)
Additionsergebnis 11111111 (255)

Als Re-Init-Wert finden wir zum Rückstellen des Zählers unseren berechneten Wert 190 vor. Danach werden die allgemeinen Interrupts wieder freigegeben und es erfolgt der Rücksprung ins Hauptprogramm. Als Ergebnis wird man nun nach Compilieren, Linken und Brennen den Kammerton A aus dem Signalgeber des myAVR-Boards vernehmen. Die Abweichung lag tatsächlich unter 1 %, wir haben 437 Hz gemessen. Abbildung 40 zeigt die Verdrahtung. Die ebenfalls mit verdrahtete LED zeigt die hohe Frequenz für das Auge mit Dauerleuchten an und dient als optische Anzeige für Variationen des Timings.