Plano de Aula. 1 o semestre. Aula número 010 Interrupções Internas Timers. Uso de interrupções internas produzidas pelos timers

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1 Diretoria de Curso Plano de Aula 1 o semestre Nome do curso Eng. Ciências da Computação + TI + TADS + Eng. Elétrica Nome da Unidade Curricular Microprocessadores e Microcontroladores Aula número 010 Tema Interrupções Internas Timers Período Noturno Turma Tópicos Uso de interrupções internas produzidas pelos timers Uso do timer1 do Arduíno Uno no modo CTC (Clear Timer on Compare Match) Objetivos Fazer uso de interrupções para criar temporizadores independentes Habilidades Configuração individual do Timer1 no Arduíno Uno Utilização da biblioteca TimerOne Recomendada Bibliografia Primeiros passos com o Arduíno - Massimo Banzi e Michael Shiloh Microcontrolador 8051 Detalhado - Denys E. C. Nicolosi Parte II - Capítulo 7 Documentação oficial do microcontrolador ATmega328P atmel bit-avr-microcontroller-atmega48a-48pa-88a-88pa-168a-168pa p_ datasheet_complete.pdf Biblioteca TimerOne 1

2 1 Interrupções Internas no Arduíno Uno As interrupções internas se distinguem das internas apenas pelo fato de serem produzidas por eventos internos à pastilha ou chip do microcontrolador. Enquanto uma interrupção externa é disparada por um dispositivo que não esta na mesma pastilha e pode estar longe, uma interrupção interna é gerada por um dispositivo periférico já integrado ao microcontrolador. Vamos estudar essas as interrupções geradas pelos timers ou temporizadores, em particular, vamos utilizar o Timer Timers Timers ou temporizadores são contadores construidos com flip/flops de forma a serem independentes do microprocessador. De fato, um timer pode até ser externo ao microprocessador, ou interno no caso geral dos microcontroladores. O microcontrolador ATmega328, utilizado no Arduíno Uno, possui três timers internos Timer0: Possui 8 bits de resolução e é utilizado pela maioria das rotinas de temporização da biblioteca padrão. Exemplos de funções que utilizam o Timer0 são as rotinas delay(), millis() e micros(). É utilizado também para gerar sinais PWM, via rotina analogwrite(), nos pinos D5 e D6. Timer1: Possui 16 bits de resolução e é utilizado apenas para gerar sinais PWM nos pinos D9 e D10. É o timer mais versátil, pois pode ser facilmente utilizado para outras funções sem causar prejuízo às rotinas da biblioteca padrão e possibilita contar intervalos grandes de tempo. Timer2: Possui 8 bits de resolução e é utilizado pela rotina tone() e sinais PWM nos pinos 3 e 11. Vamos estudar o modo CTC ou Clear Timer on Compare Match, que fará o contador do timer incrementar desde zero até um valor máximo definido pelo usuário. Quando esse valor máximo for atingido, uma interrupção é gerada e o contador é zerado. 2 Configurando o Timer1 para modo CTC na unha Vamos nos focar na configuração do Timer1, mas os outros Timers podem ser configurados de modo semelhante (com a limitação de serem de 8 bits e portanto trabalham com tempos menores). Inicialmente vamos verificar a estrutura interna do Timer1, quando operando no modo CTC. reset Clock 16MHz Prescaler Contador Comparador = Interrupção Máximo OCR1A O primeiro bloco que nos chama a atenção é o chamado prescaler ou divisor do clock. Ocorre que o clock do microcontrolador é de 16MHz, ou 16 milhões de ciclos por segundo. Em geral esse clock é muito rápido para os tempos que normalmente desejamos configurar, por isso se faz necessário diminuir essa frequência. O prescaler é então um divisor de clock que pode ser configurado para seis modos de operação: Clock desligado: Neste modo o clock é desligado e não incrementa o contador do timer. Sem divisão ou 1. Neste modo o prescaler não divide o clock e o sinal de 16MHz é aplicado diretamente ao contador, que será incrementado a cada 62, 5 nanosegundos (62, ). 2

3 Divisão por 8. O clock é dividido por 8 e então um sinal de 2MHz é aplicado ao contador, que será incrementado a cada 500 nanosegundos ( ). Divisão por 64. Um sinal de 250KHz é aplicado ao contador, que será incrementado a cada 4 microssegundos ( ). Divisão por 256. Um sinal de 62500Hz é aplicado ao contador, que será incrementado a cada 16 microssegundos ( ). Divisão por Um sinal de 15625Hz é aplicado ao contador, que será incrementado a cada 64 microssegundos ( ). O segundo bloco é o contador, ele vai incrementar seu contador interno a cada pulso recebido do prescaler. Como resultado, o valor de saída do contador é um valor crescente que é enviado ao bloco comparador. O terceiro bloco, o bloco comparador, testa se o valor recebido do contador é igual ao valor armazenado no registrador OCR1A. Caso seja igual, uma interrupção é disparada e o contador é zerado (reset). O resultado final é que este bloco vai gerar interrupções periódicas em um intervalo determinado pelo usuário, através das configurações do prescaler e do registro OCR1A. O tempo de ocorrência dessas interrupções é dado pela fórmula onde T int é o tempo entre as interrupções geradas., R P rescaler é o valor configurado no prescaler, seja 1, 8, 64, 256 ou R OCR1A é o valor configurado no registro OCR1A. Observe que o Timer1 possui resolução de 16bits, logo o registro OCR1A também possui essa resolução e portanto, o máximo valor que pode ser armazenado é Neste caso, o maior tempo possível para o Timer1 será obtido quando o prescaler por configurado para 1024 e o registro OCR1A para ( ) T int = 4, 194 s 2.1 Os registros de configuração do Timer1 Para configurar o modo de operação e o prescaler do Timer1, precisamos acessar alguns registros internos do microcontrolador e configurar seus bits adequadamente. Os registros utilizados serão: TCCR1A Timer/Counter1 Control Register A TCCR1B Timer/Counter1 Control Register B TCNT1 Timer/Counter1 OCR1A Output Compare Register 1 A TIMSK1 Timer/Counter1 Interrupt Mask Register Os registros OCR1A e TCNT1 armazenam respectivamente o valor final da contagem e o valor atual do contador. Os demais registros armazenam bits que definem a operação do timer. A tabela a seguir mostra o nome e localização de cada um desses bits de configuração Registro/Bit TCCR1A COM1A1 COM1A0 COM1B1 COM1B0 - - WGM11 WGM10 TCCR1B ICNC1 ICES1 - WGM13 WGM12 CS12 CS11 CS10 TIMSK1 - - ICIE1 - - OCIE1B OCIE1A TOIE1 3

4 Para operação no modo CTC, devemos configurar COM1A1 = 0 COM1A0 = 0 COM1B1 = 0 COM1B0 = 0 WGM11 = 0 WGM10 = 0 ICNC1 = 0 ICES1 = 0 WGM13 = 0 WGM12 = 0 ICIE1 = 0 OCIE1B = 0 OCIE1A = 1 TOIE1 = 0 CS12, CS11 e CS10 configuram o prescaler conforme a tabela CS12 CS11 CS10 Prescaler desliga o contador Dessa maneira podemos resumir: o registro TCCR1A deve ser sempre conter o valor binário B ; o registro TIMSK1 deve ser sempre conter o valor binário B ; o registro TCCR1B deve ser sempre conter o valor binário B00001 ; onde os três bits menos significativos configuram o prescaler conforme a tabela apresentada. Vamos configurar o timer 1 para um período de aproximadamente 1 segundo. Para isso, vamos configurar o prescaler para dividir o clock do microcontrolador por 1024, logo o registro TCCR1B deve assumir o valor B O valor a ser configurado no registro OCR1A será então obtido fazendo o cálculo: 1 = 1024 (R OCR1A + 1) = (R OCR1A + 1) R OCR1A = R OCR1A = Então, o código a ser executado no Arduíno Uno será: 4

5 TCCR1B = B ; OCR1A = 15624; Uma vez configurada a interrupção, devemos prover uma rotina de serviço de interrupção conveniente. Fazendo a configuração manual, esta rotina deve ser declarada da seguinte forma ISR ( TIMER1_COMPA_vect ) { / / código da r o t i n a ISR p a r a o Timer1 / / operando no modo CTC Note que não utilizamos uma chamada do tipo attachinterrupt. Isso acontece pois estamos usando acesso direto ao hardware do microcontrolador, deste modo não há uma rotina de conveniência para configurar a ISR e devemos utilizar a declaração ISR(TIMER1_COMPA_vect) para obter o endereço exato onde o microcontrolador irá executar a rotina de serviço de interrupção associada ao Timer Exercícios Determine o máximo intervalo de tempo que pode ser configurado para o Timer1 quando: 1. O prescaler é configurado para o valor 1: 2. O prescaler é configurado para o valor 8: = = 4, = 4, 096 ms 3. O prescaler é configurado para o valor 64: = = 32, = 32, 768 ms = = 262, = 262, 144 ms 5

6 4. O prescaler é configurado para o valor 256: 5. O prescaler é configurado para o valor 1024: = 1, = 4, Configure o Timer1 do Arduíno Uno para gerar uma interrupção a cada 10 milissegundos. Configurando o prescaler para 8, conseguimos uma resolução de 500 nanosegundos (0, 5 microssegundos), que é adequada para obter com precisão o valor de 10 milissegundos. Para calcular o valor do registro OCR1A fazermos: = 8 (R OCR1A + 1) = (R OCR1A + 1) = R OCR1A + 1 R OCR1A = = = Como é menor que 65535, este valor cabe em no registrador OCR1A (de 16 bits) e a configuração é válida. O código a seguir configura o prescaler e o registro OCR1A adequadamente TCCR1B = B ; OCR1A = 19999; 6

7 2.2.3 Configure o Timer1 do Arduíno Uno para gerar uma interrupção a cada 5 milissegundos. Configurando o prescaler para 8, conseguimos uma resolução de 500 nanosegundos (0, 5 microssegundos), que é adequada para obter com precisão o valor de 5 milissegundos. Para calcular o valor do registro OCR1A fazermos: = 8 (R OCR1A + 1) = (R OCR1A + 1) = R OCR1A + 1 R OCR1A = = = 9999 Como 9999 é menor que 65535, este valor cabe em no registrador OCR1A (de 16 bits) e a configuração é válida. O código a seguir configura o prescaler e o registro OCR1A adequadamente TCCR1B = B ; OCR1A = 9999; Configure o Timer1 do Arduíno Uno para gerar uma interrupção a cada 640 milissegundos. Como já verificamos, o prescaler de 8 e de 64 permitem tempos máximos inferiores a 640 milissegundos. Devemos então escolher o prescaler de 256 para garantir a melhor precisão possível. Calculando o valor adequado para o registro OCR1A encontramos = 256 (R OCR1A + 1) = (R OCR1A + 1) = R OCR1A + 1 R OCR1A = = = Como é menor que 65535, este valor cabe em no registrador OCR1A (de 16 bits) e a configuração é válida. O código a seguir configura o prescaler e o registro OCR1A adequadamente 7

8 TCCR1B = B ; OCR1A = 39999; Configure o Timer1 do Arduíno Uno para gerar uma interrupção a cada 2 segundos. Como já verificamos, apenas o prescaler de 1024 permite tempos dessa magnitude. Calculando o valor adequado para o registro OCR1A encontramos 2 = 1024 (R OCR1A + 1) 2 = (R OCR1A + 1) = R OCR1A + 1 R OCR1A = = = Como é menor que 65535, este valor cabe em no registrador OCR1A (de 16 bits) e a configuração é válida. O código a seguir configura o prescaler e o registro OCR1A adequadamente TCCR1B = B ; OCR1A = 31249; 8

9 2.2.6 Escreva um programa no Arduíno Uno, utilizando o Timer1 para incrementar a variável global contador do tipo long int a cada 15 milissegundos. Configurando o prescaler para 8, conseguimos uma resolução de 500 nanosegundos (0, 5 microssegundos), que é adequada para obter com precisão o valor de 15 milissegundos. Para calcular o valor do registro OCR1A fazermos: = 8 (R OCR1A + 1) = (R OCR1A + 1) = R OCR1A + 1 R OCR1A = = = Como é menor que 65535, este valor cabe em no registrador OCR1A (de 16 bits) e a configuração é válida. O código a seguir configura o prescaler e o registro OCR1A adequadamente, faz a declaração da variável global contador e implementa a ISR conforme solicitado v o l a t i l e long i n t c o n t a d o r =0; TCCR1B = B ; OCR1A = 29999; void loop ( ) { ISR ( TIMER1_COMPA_vect ) { c o n t a d o r ++; 3 Utilizando a biblioteca TimerOne Podemos também utilizar a biblioteca TimerOne para trabalhar com o Timer1. Entretanto, esta biblioteca não faz parte das bibliotecas padrão do Arduíno e deve ser baixada a parte em p/arduino-timerone/downloads. Uma vez instalada, podemos configurar o Timer1 de modo muito simples e semelhante ao uso de interrupções externas. Por exemplo, para configurar o mesmo temporizador em intervalos de 1 segundo, bastaria escrever 9

10 # i n c l u d e <TimerOne. h> / / I n i c i a l i z a o Timer1 com m i c r o s s e g u n d o s / / a b i b l i o t e c a Timer1 d e t e r m i n a a melhor c o n f i g u r a ç ã o / / do p r e s c a l e r p a r a o b t e r o tempo d e s e j a d o com / / maior p r e c i s ã o. Timer1. i n i t i a l i z e ( ) ; / / c o n f i g u r a a r o t i n a de s e r v i ç o de i n t e r r u p ç ã o / / de maneira s e m e l h a n t e ao uso de i n t e r r u p ç õ e s e x t e r n a s Timer1. a t t a c h I n t e r r u p t ( i s r _ t i m e r 1 ) ; e então implementar a rotina de tratamento de interrupção void i s r _ t i m e r 1 ( ) { / / código da r o t i n a ISR p a r a o Timer1 / / conforme c o n f i g u r a d o p e l a b i b l i o t e c a TimerOne 3.1 Exercícios Usando a biblioteca TimerOne, escreva um programa no Arduíno Uno, utilizando o Timer1 para incrementar a variável global contador do tipo long int a cada 15 milissegundos. # i n c l u d e <TimerOne. h> v o l a t i l e long i n t c o n t a d o r =0; / / I n i c i a l i z a o Timer1 com m i c r o s s e g u n d o s / / o que e q u i v a l e a 15 m i l i s e g u n d o s Timer1. i n i t i a l i z e ( ) ; / / c o n f i g u r a a r o t i n a de s e r v i ç o de i n t e r r u p ç ã o / / de maneira s e m e l h a n t e ao uso de i n t e r r u p ç õ e s e x t e r n a s Timer1. a t t a c h I n t e r r u p t ( i s r _ i n c r e m e n t a ) ; void loop ( ) { void i s r _ i n c r e m e n t a ( ) { c o n t a d o r ++; 10