如何高效的扩展定时/计数器？

嵌入式大杂烩 2021-06-26 22:23

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来源：公众号【鱼鹰谈单片机】

作者：鱼鹰Osprey

ID ：emOsprey

我们都知道，单片机往往都有定时器这个外设，定时器有时候也会用来作为计数器使用，在项目中它的的使用非常频繁，但有时候却满足不了项目的需求。

比如 STM32F1 定时器，通过配置，可以让定时器的时基为 1 ms，即1ms 计数器增加一次，等达到16位的极限，就会溢出，此时溢出时间 65536 ms = 65.5 s。

这个溢出时间一般能满足需要，但时间精度却是 ms 级别的，如何能达到更高的精度又能计时更长时间呢？

STM32 系列有两种办法：

1、使用更高级的单片机，比如 STM32F4，它的计数器是 32 位的，精度为 us 的话，也可以延时 4294967295 us = 71.5 min。但是涉及到成本问题。

2、使用主从方式定时，可以将 16 位计数器扩展到 32 位，但这将使用两个定时器，对于定时器紧张的单片机不合适。

还有一种方式是采用软件的方式，比如在一个定时器 1ms溢出时，使用变量递增达到更长的延时时间，同理这种方式精度为 1 ms，如果想达到更高的精度，比如us，就必须把计时器的时间换算到us，然后加上变量的值：

这种方式很容易想到，一般人都会采用这种方式，同时很容易进行扩展，比如将变量从 32 位扩展到 64 位，即使精度为 us，也要很长很长的时间，这段时间，机器早就报废了。

但是这种方式扩展的计数器，除非将变量扩展为 64位，否则，总会有溢出风险。

而且上述计算方式也是有问题的，32 位 * 1000，最后计算结果赋值给32位，这里会出现问题。

我们可以反算 us 精度下，time_ms 在什么值下time_us会出现溢出问题：

4294967295 / 1000 us 等于4,294,967.295 ms，也就是说，time_ms 不能达到这个溢出值，否则计算就会出现问题。

解决这个问题也简单，就是将计算扩展为 64 位计算：

如果想延时更长时间，time_ms 使用 64 位，这样就不必烦恼溢出风险问题，因为在机器有生之年应该是达不到溢出的时候（具体时间可以自己计算一下）。

如果真的需要运行很长的时间，溢出问题还是避免不了。那有什么办法可以避免溢出风险呢？

事实上，鱼鹰接下来介绍的方法，在计时方面唯一的好处就是可以避免溢出风险，但在脉冲计数方面却有奇效！

如果只是单纯的递增计数器，那么也看不出比上面介绍的软件方式有多好，但是如果你需要计数的是电机脉冲数呢，这个电机需要正反转呢？

我们知道，电机有正反转，一般使用增量式编码器来确定电机位置和运行方向：

比如上面编码器输出的脉冲波形，通过计数和判断两个波形的相位差，就可以知道电机处于正转还是反转，同时通过计数器，即可达到精确的位置信息。

有经验的工程师应该知道，一般这种情况下的计数会采用定时器自带的编码器接口功能，使用该功能有以下几个好处：

1、使用硬件计数方式，不占用 CPU（软件方式是使用外部中断进行计数，需要占用CPU资源）

2、在电机转速快的情况下，也不容易丢失脉冲数据，更不会占用 CPU。

3、可以消除变向时的脉冲抖动问题

3、由硬件提供方向信息，即使你的电机控制程序未运行（已初始化），也能准确知道电机是否转动和转动方向（当有外部干扰电机运行时，也能准确知道位置和实际运行方向）。

正因为定时器的编码器功能如此优秀，一般在平衡车等需要精确知道电机的速度、方向、位置等信息时都会采用该接口功能。

但是你在网上看到的大部分资料只能获得一圈的脉冲（位置）数据，换向换的多了，你就不知道，当前位置是反转或正转的第几圈的哪个位置了。

比如一个电机，正转1.5圈、反转2.4圈，再正转3.2 圈……反反复复情况下，你知道它离原点的总运行距离吗？

在配置好定时器的情况下，使用该该代码即可得到准确运行位置(CNT值根据电机转动方向递增或递减)：

static int16_t last_cnt; // 上一次的脉冲。static int32_t plus_cnt; // 相对开始位置的脉冲数， 
int16_t temp,temp2; // 保持和 CNT 的位宽一致
temp = TIM2->CNT;  // ARR 设置为最大值 0xFFFF 即可
temp2 = temp - last_cnt;        // 必须分步plus_cnt += temp2;  // 计算相对脉冲数  错误计算 plus_cnt += (temp - last_cnt);last_cnt = temp;                // 保存上一次的值

限于篇幅，只说结论，关于原因，以后有时间再介绍，感兴趣可以关注鱼鹰。

先说这段代码要获得的效果，想象时间可以倒流，即下面的时针可以正向转动，也可反向转动，即可以在 12~6~12之间任意方向转动，并且转动没有任何规律。

有一天你想知道，当前时间相比第一次观察是倒流了还是流逝了多少时间？你是否有办法准确得到这个时间呢？

如果仅从时针的位置，我们只能知道半天时间里的哪个时间（12 小时的某个时间点），而且还不知道到底在这半天是属于倒流还是流逝！

但是通过上面的代码，如果我们知道每一次时间流动时的方向，我们就可以准确知道这个时间是属于第几天的哪个时间点！

比如 plus 的值为 -25，我们就知道，时间倒流了 25 小时，根据这个时间，换算天数也就简单了，倒流了一天又一小时。

现在继续说说上面代码注意点：

1、CNT 溢出值必须是位宽的最大值，即如果是 16 位计数器，最大值 0xFFFF，如果是 32 位，则是 0xFFFFFFFF。

2、记录上一次的计数值 last_cnt 和 plus_cnt 必须是全局（或静态）变量。

3、因为有方向，所以声明必须为有符号类型，这样可以根据符号确定最终的方向。

4、必须分步计算，至于原因，简单来说，就是只进行 16 位计算，得到的结果也只能是 16 位。

5、每次计算时，必须在上一次 CNT 值到它的一半之间内计算一次，否则计算将出错。

比如本次计算时，CNT = 123，下一次必须在它大概变成 123 + 32768 = 32891 或者 123 – 32768 = -32645 之前计算一次，否则最终得到的值将是错误的。

这样的条件还是比较容易达到的，我们只要大概得到它最快的变化规律，就可以设置定时器让它定时累积一次。

6、如果你只是单纯的扩展定时器，因为定时器只会在一个方向计数，假如是递增，那么代码如下：

static uint16_t last_cnt; // 上一次的脉冲。static uint32_t plus_cnt; // 相对开始位置的脉冲数， 
uint16_t temp,temp2; // 保持和 CNT 的位宽一致
temp = TIM2->CNT;  // ARR 设置为最大值 0xFFFF 即可
temp2 = temp - last_cnt;        // 必须分步plus_cnt += temp2;  // 计算相对脉冲数  错误计算 plus_cnt += (temp - last_cnt);last_cnt = temp;                // 保存上一次的值