如何高效的擴(kuò)展定時(shí)/計(jì)數(shù)器？

來源：公眾號(hào)【魚鷹談單片機(jī)】作者：魚鷹Osprey
ID ??：emOsprey
我們都知道，單片機(jī)往往都有定時(shí)器這個(gè)外設(shè)，定時(shí)器有時(shí)候也會(huì)用來作為計(jì)數(shù)器使用，在項(xiàng)目中它的的使用非常頻繁，但有時(shí)候卻滿足不了項(xiàng)目的需求。比如 STM32F1 定時(shí)器，通過配置，可以讓定時(shí)器的時(shí)基為 1 ms，即1ms 計(jì)數(shù)器增加一次，等達(dá)到16位的極限，就會(huì)溢出，此時(shí)溢出時(shí)間 65536 ms = 65.5 s。這個(gè)溢出時(shí)間一般能滿足需要，但時(shí)間精度卻是 ms 級(jí)別的，如何能達(dá)到更高的精度又能計(jì)時(shí)更長(zhǎng)時(shí)間呢？STM32 系列有兩種辦法：1、使用更高級(jí)的單片機(jī)，比如 STM32F4，它的計(jì)數(shù)器是 32 位的，精度為 us 的話，也可以延時(shí) 4294967295 us = 71.5 min。但是涉及到成本問題。2、使用主從方式定時(shí)，可以將 16 位計(jì)數(shù)器擴(kuò)展到 32 位，但這將使用兩個(gè)定時(shí)器，對(duì)于定時(shí)器緊張的單片機(jī)不合適。
還有一種方式是采用軟件的方式，比如在一個(gè)定時(shí)器 1ms溢出時(shí)，使用變量遞增達(dá)到更長(zhǎng)的延時(shí)時(shí)間，同理這種方式精度為 1 ms，如果想達(dá)到更高的精度，比如us，就必須把計(jì)時(shí)器的時(shí)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(huì)采用這種方式，同時(shí)很容易進(jìn)行擴(kuò)展，比如將變量從 32 位擴(kuò)展到 64 位，即使精度為 us，也要很長(zhǎng)很長(zhǎng)的時(shí)間，這段時(shí)間，機(jī)器早就報(bào)廢了。但是這種方式擴(kuò)展的計(jì)數(shù)器，除非將變量擴(kuò)展為 64位，否則，總會(huì)有溢出風(fēng)險(xiǎn)。而且上述計(jì)算方式也是有問題的，32 位 * 1000，最后計(jì)算結(jié)果賦值給32位，這里會(huì)出現(xiàn)問題。我們可以反算 us 精度下，time_ms 在什么值下time_us會(huì)出現(xiàn)溢出問題：4294967295 / 1000 us 等于4,294,967.295 ms，也就是說，time_ms 不能達(dá)到這個(gè)溢出值，否則計(jì)算就會(huì)出現(xiàn)問題。解決這個(gè)問題也簡(jiǎn)單，就是將計(jì)算擴(kuò)展為 64 位計(jì)算：如果想延時(shí)更長(zhǎng)時(shí)間，time_ms 使用 64 位，這樣就不必?zé)酪绯鲲L(fēng)險(xiǎn)問題，因?yàn)樵跈C(jī)器有生之年應(yīng)該是達(dá)不到溢出的時(shí)候（具體時(shí)間可以自己計(jì)算一下）。如果真的需要運(yùn)行很長(zhǎng)的時(shí)間，溢出問題還是避免不了。那有什么辦法可以避免溢出風(fēng)險(xiǎn)呢？事實(shí)上，魚鷹接下來介紹的方法，在計(jì)時(shí)方面唯一的好處就是可以避免溢出風(fēng)險(xiǎn)，但在脈沖計(jì)數(shù)方面卻有奇效！如果只是單純的遞增計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)的是電機(jī)脈沖數(shù)呢，這個(gè)電機(jī)需要正反轉(zhuǎn)呢？我們知道，電機(jī)有正反轉(zhuǎn)，一般使用增量式編碼器來確定電機(jī)位置和運(yùn)行方向：比如上面編碼器輸出的脈沖波形，通過計(jì)數(shù)和判斷兩個(gè)波形的相位差，就可以知道電機(jī)處于正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，同時(shí)通過計(jì)數(shù)器，即可達(dá)到精確的位置信息。有經(jīng)驗(yàn)的工程師應(yīng)該知道，一般這種情況下的計(jì)數(shù)會(huì)采用定時(shí)器自帶的編碼器接口功能，使用該功能有以下幾個(gè)好處：1、使用硬件計(jì)數(shù)方式，不占用 CPU（軟件方式是使用外部中斷進(jìn)行計(jì)數(shù)，需要占用CPU資源）2、在電機(jī)轉(zhuǎn)速快的情況下，也不容易丟失脈沖數(shù)據(jù)，更不會(huì)占用 CPU。3、可以消除變向時(shí)的脈沖抖動(dòng)問題3、由硬件提供方向信息，即使你的電機(jī)控制程序未運(yùn)行（已初始化），也能準(zhǔn)確知道電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)方向（當(dāng)有外部干擾電機(jī)運(yùn)行時(shí)，也能準(zhǔn)確知道位置和實(shí)際運(yùn)行方向）。
正因?yàn)槎〞r(shí)器的編碼器功能如此優(yōu)秀，一般在平衡車等需要精確知道電機(jī)的速度、方向、位置等信息時(shí)都會(huì)采用該接口功能。但是你在網(wǎng)上看到的大部分資料只能獲得一圈的脈沖（位置）數(shù)據(jù)，換向換的多了，你就不知道，當(dāng)前位置是反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)的第幾圈的哪個(gè)位置了。
比如一個(gè)電機(jī)，正轉(zhuǎn)1.5圈、反轉(zhuǎn)2.4圈，再正轉(zhuǎn)3.2 圈……反反復(fù)復(fù)情況下，你知道它離原點(diǎn)的總運(yùn)行距離嗎？在配置好定時(shí)器的情況下，使用該該代碼即可得到準(zhǔn)確運(yùn)行位置(CNT值根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)開始位置的脈沖數(shù)，
int16_t temp,temp2; // 保持和 CNT 的位寬一致
temp = TIM2->CNT; // ARR 設(shè)置為最大值 0xFFFF 即可
temp2 = temp - last_cnt; // 必須分步plus_cnt = temp2; // 計(jì)算相對(duì)脈沖數(shù) 錯(cuò)誤計(jì)算 plus_cnt = (temp - last_cnt);last_cnt = temp; // 保存上一次的值限于篇幅，只說結(jié)論，關(guān)于原因，以后有時(shí)間再介紹，感興趣可以關(guān)注魚鷹。
先說這段代碼要獲得的效果，想象時(shí)間可以倒流，即下面的時(shí)針可以正向轉(zhuǎn)動(dòng)，也可反向轉(zhuǎn)動(dòng)，即可以在 12~6~12之間任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并且轉(zhuǎn)動(dòng)沒有任何規(guī)律。有一天你想知道，當(dāng)前時(shí)間相比第一次觀察是倒流了還是流逝了多少時(shí)間？你是否有辦法準(zhǔn)確得到這個(gè)時(shí)間呢？如果僅從時(shí)針的位置，我們只能知道半天時(shí)間里的哪個(gè)時(shí)間（12 小時(shí)的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)），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(shí)間流動(dòng)時(shí)的方向，我們就可以準(zhǔn)確知道這個(gè)時(shí)間是屬于第幾天的哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)！比如 plus 的值為 -25，我們就知道，時(shí)間倒流了 25 小時(shí)，根據(jù)這個(gè)時(shí)間，換算天數(shù)也就簡(jiǎn)單了，倒流了一天又一小時(shí)?，F(xiàn)在繼續(xù)說說上面代碼注意點(diǎn)：1、CNT 溢出值必須是位寬的最大值，即如果是 16 位計(jì)數(shù)器，最大值 0xFFFF，如果是 32 位，則是 0xFFFFFFFF。2、記錄上一次的計(jì)數(shù)值 last_cnt 和 plus_cnt 必須是全局（或靜態(tài)）變量。3、因?yàn)橛蟹较颍月暶鞅仨殲橛蟹?hào)類型，這樣可以根據(jù)符號(hào)確定最終的方向。4、必須分步計(jì)算，至于原因，簡(jiǎn)單來說，就是只進(jìn)行 16 位計(jì)算，得到的結(jié)果也只能是 16 位。5、每次計(jì)算時(shí)，必須在上一次 CNT 值到它的一半之間內(nèi)計(jì)算一次，否則計(jì)算將出錯(cuò)。比如本次計(jì)算時(shí)，CNT = 123，下一次必須在它大概變成 123 32768 = 32891 或者 123 – 32768 = -32645 之前計(jì)算一次，否則最終得到的值將是錯(cuò)誤的。這樣的條件還是比較容易達(dá)到的，我們只要大概得到它最快的變化規(guī)律，就可以設(shè)置定時(shí)器讓它定時(shí)累積一次。6、如果你只是單純的擴(kuò)展定時(shí)器，因?yàn)?a href="/tags/定時(shí)" target="_blank">定時(shí)器只會(huì)在一個(gè)方向計(jì)數(shù)，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(duì)開始位置的脈沖數(shù)，
uint16_t temp,temp2; // 保持和 CNT 的位寬一致
temp = TIM2->CNT; // ARR 設(shè)置為最大值 0xFFFF 即可
temp2 = temp - last_cnt; // 必須分步plus_cnt = temp2; // 計(jì)算相對(duì)脈沖數(shù) 錯(cuò)誤計(jì)算 plus_cnt = (temp - last_cnt);last_cnt = temp; // 保存上一次的值只要改變變量類型即可。但是也要注意在它溢出前必須計(jì)算一次，否則就可能計(jì)算出錯(cuò)，而且溢出值必須是最大值，而不能隨意更改。

以上結(jié)論可能對(duì)你而言比較難理解，但是當(dāng)你有這種類似的需求，回過頭來再看這些，你會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的巧妙。而當(dāng)你真正理解了《延時(shí)功能進(jìn)化論》是如何避免溢出風(fēng)險(xiǎn)的，相信有了魚鷹的提醒，理解它們也不是難事。

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