การเขียนโปรแกรมภาษา C สำหรับ AVR (ATmega328P): ตอนที่ 7#

Keywords: Atmel AVR MCU, ATmega328P, Bare-metal C Programming, AVR-GCC, avr-libc

การเขียนโปรแกรมภาษา C แบบ Bare-Metal และการใช้ไลบรารี avr-libc
วงจรตัวนับ Timer/Counter1
การใช้งาน Timer/Counter1: Normal Mode (Mode 0)
การใช้งาน Timer/Counter1: Normal Mode with Counter Reload
การใช้งาน Timer/Counter1: CTC Mode

▷ การเขียนโปรแกรมภาษา C แบบ Bare-Metal และการใช้ไลบรารี avr-libc#

บทความในตอนที่ 7 สาธิตตัวอย่างการเขียนโค้ดภาษา C เพื่อใช้งานวงจรที่เรียกว่า Timer/Counter1 (วงจรตัวนับหมายเลข 1) ภายในชิป ATmega328P ซึ่งมีหลายโหมดการทำงานให้เลือกใช้ มีการใช้คำสั่งหรือฟังก์ชันของไลบรารี avr-libc (Online User Manual) และใช้ Wokwi Simulator ในการจำลองการทำงานของโค้ดเพื่อตรวจสอบความถูกต้องในเบื้องต้น

▷ วงจรตัวนับ Timer/Counter1#

วงจร Timer/Counter1 ภายในชิป ATmega328P เป็นวงจรตัวนับขนาด 16 บิต มีวงจรเปรียบเทียบค่าของตัวนับสำหรับสร้างสัญญาณเอาต์พุต จำนวน 2 ชุด (Output Compare Units: OC1A / OC1B) ซึ่งสามารถนำมาใช้ในการสร้างสัญญาณพัลส์ที่มีคาบคงที่ หรือสัญญาณแบบ PWM (Pulse Width Modulation) ได้ นอกจากนั้นแล้วยังมีวงจรรับสัญญาณอินพุตเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณดิจิทัล (Input Capture Unit) และนำมาใช้ในการนับขึ้นของวงจรตัวนับ (Counter) ได้เช่นกัน

รูป: บล็อกไดอะแกรมของวงจร Timer/Counter1

รูป: รีจิสเตอร์ของวงจร Timer/Counter1

รายละเอียดเกี่ยวกับรีจิสเตอร์ที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของ Timer/Counter1 สามารถดูได้เอกสารของผู้ผลิต ATmega328P Datasheet

TCNT1 รีจิสเตอร์ตัวนับขนาด 16 บิต ประกอบด้วยรีจิสเตอร์ขนาด 8 บิต คือ TCNT1H และ TCNT1L ดังนั้นค่าต่ำสุดและสูงสุดของตัวนับที่เป็นไปได้คือ 0x0000 (BOTTOM) และ 0xFFFF (MAX)
TCCR1A (Timer/Counter1 Control Register A)
- COM1A[1:0] (Compare Output Mode for Channel A)
- COM1B[1:0] (Compare Output Mode for Channel B)
- WGM1[1:0] (Waveform Generation Mode)
TCCR1B (Timer/Counter1 Control Register B)
- ICNC1 (Input Capture Noise Canceler)
- ICES1 (Input Capture Edge Select)
- WGM1[3:2] (Waveform Generation Mode)
- CS1[2:0] (Clock Select)
TCCR1C (Timer/Counter1 Control Register C)
- FOC1A (Force Output Compare for Channel A)
- FOC1B (Force Output Compare for Channel B)
OCR1A (Output Compare Register 1 A) รีจิสเตอร์ขนาด 16 บิต
- ประกอบด้วยรีจิสเตอร์ขนาด 8 บิต OCR1AH และ OCR1AL
- ใช้สำหรับเปรียบเทียบกับค่าของ TCNT1 เพื่อสร้างสัญญาณเอาต์พุต OC1A
OCR1B (Output Compare Register 1 B) รีจิสเตอร์ขนาด 16 บิต
- ประกอบด้วยรีจิสเตอร์ขนาด 8 บิต OCR1BH และ OCR1BL
- ใช้สำหรับเปรียบเทียบกับค่าของ TCNT1 เพื่อสร้างสัญญาณเอาต์พุต OC1B
TIMSK1 (Timer/Counter1 Interrupt Mask Register) ใช้สำหรับการเปิดหรือปิดการทำงานของอินเทอร์รัพท์สำหรับวงจรนี้
- OCIE1A (Timer/Counter1, Output Compare A Match Interrupt Enable)
- OCIE1B (Timer/Counter1, Output Compare B Match Interrupt Enable)
- TOIE1 (Timer/Counter1, Overflow Interrupt Enable)
- ICIE1 (Timer/Counter1, Input Capture Interrupt Enable)
TIFR1 (Timer/Counter1 Interrupt Flag Register) มีบิตที่แสดงแสดงการเกิดอินเทอร์รัพท์ และสถานะการเปรียบเทียบค่าของตัวนับ TCNT1 กับรีจิสเตอร์ OCR1A และ OCRA1B (Output Compare A / B Match) เป็นต้น
- TOV1 (Timer/Counter1, Overflow Flag)
- OCF1A (Timer/Counter1, Output Compare A Match Flag)
- OCF1B (Timer/Counter1, Output Compare B Match Flag)
- ICF1 (Timer/Counter1, Input Capture Flag)

ในการใช้งาน Timer/Counter1 จะเริ่มต้นด้วยการเลือกโหมดการสร้างสัญญาณ (Waveform Generation Mode: WGM) ซึ่งมีอยู่หลายโหมด ตามตารางต่อไปนี้ แล้วกำหนดค่าบิตสำหรับ WGM1[3:0] จำนวน 4 บิต ให้ถูกต้อง

รูป: ตัวเลือกสำหรับโหมดการสร้างสัญญาณของวงจร Timer/Counter1 โหมดหมายเลข 0 - 15

ถัดไปเป็นการตั้งค่าตัวหารความถี่ของสัญญาณ f_CPU (หรือ เลือกสัญญาณจากภายนอก) ซึ่งจะต้องเลือกจากรายการตัวเลขที่มีการกำหนดไว้ แล้วกำหนดค่าบิตให้กับ CS1[2:0] ในรีจิสเตอร์ TCCR1B

รูป: ตัวเลือกสำหรับการเลือกตัวหารความถี่สำหรับวงจร Timer/Counter1

รูป: ตัวเลือกสำหรับบิต COM1A[1:0] และ COM1B[1:0] จำแนกตามโหมดที่จะใช้งาน

▷ Timer/Counter1: Normal Mode (Mode 0)#

โค้ดนี้สาธิตการทำงานของวงจร Timer/Counter1 ในโหมด 0 (Normal Mode) ในโหมดนี้ ค่าของตัวนับ TCNT1 จะนับขึ้นจาก 0x000 ถึงค่าสูงสุด 0xFFFF (65535) แล้วเริ่มต้นนับใหม่ สามารถตั้งค่าให้เกิดอินเทอร์รัพท์ที่เรียกว่า Overflow Interrupt ได้

ในตัวอย่างนี้ ได้ตั้งค่าตัวหารความถี่เท่ากับ 1 ดังนั้นวงจรตัวนับจะนับขึ้นด้วยอัตรา 16MHz และจะเกิดอินเทอร์รัพท์ ทุก ๆ 65536/16MHz = 4.096 msec

เมื่อนับครบหนึ่งรอบแล้วเกิดเหตุการณ์อินเทอร์รัพท์ ที่มีชื่อว่า TIMER1_OVF_vect (Timer1 Overflow Interrupt) จะมีการเรียกใช้ฟังก์ชัน ISR(TIMER1_OVF_vect) ทำให้มีการสลับสถานะลอจิกที่ขา PB1 / OC1A Pin (LED_PIN) หรือ Arduino D9 Pin

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#define LED_PIN    (PB1)
#define PRESCALER  (64) // Use 1, 8 or 64

ISR(TIMER1_OVF_vect) {
  PORTB ^= (1 << LED_PIN); // Toggle the LED pin
}

void initTimer1() {
  TCCR1A = 0;
  TCNT1  = 0x000;
#if PRESCALER == 64
  TCCR1B = (1<<CS11) | (1<<CS10); // Set prescaler to 64 (CS[2:0]="011")
#elif PRESCALER == 8
  TCCR1B = (1<<CS11); // Set prescaler to 8 (CS[2:0]="010")
#else
  TCCR1B = (1<<CS10); // Set prescaler to 1 (CS[2:0]="001")
#endif
  TIFR1  |= (1<<TOV1);  // Clear Timer1 overflow flag
  TIMSK1 |= (1<<TOIE1); // Enable Timer1 overflow interrupt
}

int main() {
  DDRB |= (1 << LED_PIN);   // Set LED pin as output
  initTimer1(); // Initialize Timer1
  sei(); // Enable global interrupts
  while (1) {}
  return 0;
}

ข้อสังเกต: ในโค้ดตัวอย่างนี้ ให้เปลี่ยนไปใช้ขา PB5 / D13 Pin แทนที่ PB1 / D9 Pin ถ้าต้องการใช้ LED บนบอร์ด Arduino Uno / Nano

ในเชิงทฤษฎี การคำนวณระยะเวลาในการเกิดอินเทอร์รัพท์ TIMER1_OVF_vect และเกิดการสลับสถานะลอจิกที่ขาเอาต์พุต สามารถคำนวณได้ดังนี้

ตัวหารความถี่ /1: อัตราการเกิดอินเทอร์รัพท์ 1/(16MHz/1/65536) หรือได้ช่วงเวลาเท่ากับ 4.096 msec
ตัวหารความถี่ /8: อัตราการเกิดอินเทอร์รัพท์ 1/(16MHz/8/65536) หรือได้ช่วงเวลาเท่ากับ 32.768 msec
ตัวหารความถี่ /64: อัตราการเกิดอินเทอร์รัพท์ 1/(16MHz/64/65536) หรือได้ช่วงเวลาเท่ากับ 262.144 msec

รูป: การจำลองการทำงานของโค้ดด้วย Wokwi Simulator และวัดสัญญาณด้วย Virtual Logic Analyzer

รูป: การแสดงรูปคลื่นสัญญาณที่บันทึกได้จาก Virtual Logic Analyzer โดยใช้โปรแกรม GTKWave (วัดความกว้างของพัลส์ได้ 262.144 msec สำหรับตัวหารความถี่ /64)

ลองมาดูตัวอย่างการวัดสัญญาณจริง โดยใช้ USB Logic Analyzer วัดสัญญาณที่ขา PB1 / D9 ของบอร์ด Arduino Nano

รูป: การวัดความกว้างของพัลส์สำหรับตัวหารความถี่ /1 (วัดค่าได้ประมาณ 4.091 msec)

รูป: การวัดความกว้างของพัลส์สำหรับตัวหารความถี่ /8 (วัดค่าได้ประมาณ 32.725 msec)

รูป: การวัดความกว้างของพัลส์สำหรับตัวหารความถี่ /64 (วัดค่าได้ประมาณ 261.931 msec)

▷ Timer/Counter1: Normal Mode with Counter Reload#

การเลือกตัวหารความถี่ จะส่งผลต่อระยะเวลาในการนับในแต่ละรอบของรีจิสเตอร์ TCNT1 แต่ยังมีอีกวิธีหนึ่ง คือ การกำหนดค่าเริ่มต้นให้รีจิสเตอร์ TCNT1 เมื่อเกิดอินเทอร์รัพท์แต่ละครั้ง แทนที่จะให้เริ่มนับที่ 0 ไปจนถึง 65535 (0xFFFF) แต่เริ่มต้นด้วยค่ามากกว่า 0

ในตัวอย่างนี้ สาธิตการใช้งานวงจร Timer1 ในโหมด Normal เลือกตัวหารความถี่เท่ากับ /64 และมีการกำหนดค่าเริ่มต้นในการนับให้รีจิสเตอร์ TCNT1 เพื่อต้องการให้มีการนับในแต่ละรอบเท่ากับ 50000 ดังนั้นจึงให้เริ่มนับที่ค่า (65535-50000) = 15535 หรือ ไปจนถึง 65535

ดังนั้นในกรณีนี้ จะมีระยะเวลาในการเกิดอินเทอร์รัพท์แต่ละครั้งเท่ากับ 1/(16MHz/64/50000) หรือ 200 msec

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#define LED_PIN    (PB1)
#define LOAD_VALUE (65535-50000) // 16-bit initial count value

// 16MHz/64/50000 = 5Hz (interrupt rate) or time interval = 200 msec

// ISR for Timer1 overflow interrupt
ISR(TIMER1_OVF_vect) {
  TCNT1 = LOAD_VALUE;    // Load the initial count value
  PORTB ^= (1<<LED_PIN); // Toggle the LED pin
}

void initTimer1() {
  TCCR1A = TCCR1B = 0;
  TCNT1 = LOAD_VALUE;   // Load the initial count value
  // Configure Timer1 in Normal mode with prescaler of 64
  TCCR1B = (1<<CS11) | (1<<CS10); // CS[2:0] = "011" (clk/64)
  TCNT1 = 0x000;        // Reset Timer1 count register
  TIFR1  |= (1<<TOV1);  // Clear Timer1 overflow flag
  TIMSK1 |= (1<<TOIE1); // Enable Timer1 overflow interrupt
}

int main() {
  DDRB |= (1<<LED_PIN); // Set LED pin as output
  initTimer1();  // Initialize Timer1
  sei();         // Enable global interrupts
  while(1) {}
  return 0;
}

รูป: การวัดความกว้างของพัลส์ได้ประมาณ 200 msec

▷ Timer/Counter1: CTC Mode#

ตัวอย่างนี้สาธิตการใช้งานในโหมด CTC (Clear Timer on Compare Match) ซึ่งแตกต่างจากโหมด Normal โดยที่จะมีการนับขึ้นจาก 0 และนับไปจนถึงค่าของ รีจิสเตอร์ OC1RA สำหรับการเปรียบเทียบ เมื่อมีค่าเท่ากัน รีจิสเตอร์ TCNT1 จะถูกรีเซตให้เป็น 0 และเริ่มต้นนับใหม่

นอกจากนั้นแล้วยังมีการเปิดใช้งานอินเทอร์รัพท์ TIMER1_COMPA_vect (Timer1 compare match A Interrupt) สำหรับเหตุการณ์นี้ด้วย เพื่อให้ฟังก์ชัน ISR(TIMER1_COMPA_vect) ทำงาน โดยสลับสถานะลอจิกที่ขา PB1

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

#define LED_PIN     (PB1)        // LED pin
#define PRESCALER   (64)         // Define prescaler value as 64
#define RATE_HZ     (1000UL)     // Toggle rate in Hz
#define COMP_VALUE  (F_CPU/(RATE_HZ * PRESCALER)) 

// 16MHz/64/250 = 1000 Hz (toggle rate) or time interval of 1 ms 

// ISR for Timer1 compare match A
ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
  PORTB ^= (1<<LED_PIN); // Toggle the LED pin
}

void initTimer1() {
  TCCR1A = TCCR1B = 0;
  TCNT1 = 0x000;
  OCR1A = (uint16_t)(COMP_VALUE-1); // Set compare match value
  // Configure Timer1 in CTC mode (mode 4) with prescaler of 64
  TCCR1B |= (1<<WGM12) | (1<<CS11) | (1<<CS10); // CTC mode, prescaler /64
  TIMSK1 |= (1<<OCIE1A); // Enable interrupt on compare match A
}

int main(void) {
  // Set the Data Direction Register (DDR) of Port B
  DDRB |= (1<<LED_PIN); // Use LED as output
  initTimer1(); // Initialize Timer1
  sei(); // Enable global interrupts
  while (1) {}
  return 0;
}

เมื่อเลือกโหมด CTC ก็สามารถสร้างสัญญาณพัลส์ หรือ PWM ที่มีค่า Duty Cycle 50% ได้ เป็นสัญญาณคาบ (Periodic Signal) แต่จะต้องใช้ขาเอาต์พุต PB1 / OC1A เท่านั้น โดยไม่ต้องเปิดใช้งานอินเทอร์รัพท์ และจะสร้างสัญญาณคาบได้เช่นกัน

เมื่อตัวนับ TCNT1 มีนับขึ้นจนได้ค่าเท่ากับ OC1R1A จะทำให้มีการสลับสถานะลอจิกของขา PB1/OC1A โดยอัตโนมัติ (Toggle OC1A on Compare Match / Non-PWM Mode) เนื่องจากมีการตั้งค่าบิต COM1A[1:0] เป็น "01"

#include <avr/io.h>

#define PWM_PIN     (PB1)    // Use the PB1/OCR1A pin
#define PRESCALER   (64)     // Define prescaler value as 64
#define RATE_HZ     (1000UL) // Define the toggle rate as 1000 Hz
#define COMP_VALUE  (F_CPU/(RATE_HZ * PRESCALER)) 

void initTimer1() {
  TCCR1A = TCCR1B = 0;
  TCNT1 = 0x0000;
  OCR1A = (uint16_t)(COMP_VALUE-1); // Set compare match value 
  // Configure Timer1 in CTC mode (mode 4) with prescaler of 64 
  TCCR1A |= (1<<COM1A0); // Toggle the OC1A pin on compare match A
  TCCR1B |= (1<<WGM12) | (1<<CS11) | (1<<CS10);
}

int main(void) {
  // Set the DDR for OC1A pin as output
  DDRB |= (1 << PWM_PIN); // Use PWM_PIN as output
  initTimer1(); // Initialize Timer1
  while (1) {}
}

รูป: การวัดความกว้างของพัลส์ได้ค่าประมาณ 1 msec

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้ได้นำเสนอตัวอย่างการเขียนโค้ดภาษาซีสำหรับ ATmega328P เพื่อใช้งานวงจร Timer/Counter1 ซึ่งมีโหมดการทำงานให้เลือกใช้แตกต่างกัน เช่น การนับตามจังหวะเวลาที่กำหนด การสร้างอินเทอร์รัพท์จากการนับตามช่วงเวลาที่กำหนด และการสร้างสัญญาณพัลส์เป็นสัญญาณคาบ เป็นต้น

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2023-05-04 | Last Updated: 2023-05-06

Keys	Action
`?`	Open this help
`n`	Next page
`p`	Previous page
`s`	Search