المؤقتات في لغة أردوينو Arduino Timer

Arduino Timer

المؤقتات في لغة أردوينو

في التطبيقات المتقدمة من برمجة المتحكمات الأصغرية Microcontrollers تصبح التعليمات و الأوامر في الكود كثيرة و متداخلة , و قد يصادف استعمال العديد من جمل الdelay و while و for و احياناً قد تحتاج للاستجابة للعديد من الأشارات سواءاً القدامة من الحساسات أو من نفس البرنامج , لذلك تحتاج إلى تقنية جديدة في البرمجة تسمى المؤقتات Timers.

ما هي المؤقتات :

الفكرة العامة التي قد يعرف بها المؤقت , هو استخدامه لقياس فترة زمنية معطاة , الفكرة موجودة في المتحكمات الأصغرية , و هو أن تقوم بقدح"Trigger " أو مقاطعة " Interrupt "عمل مخرج , مدخل , تعليمة , في نقطة محددة في البرنامج , و يمكن تشبيهه بالتنبيه للمتحكم الصغري Microcontrollers بأن حدث ما تم حصوله ليقوم بدوره بتغيير سير عمل البرنامج .

المؤقتات تعمل بشكل لا تزامني Asynchronous و هذه ميزة مهمة لنتعامل مع المتغيرات بشكل متوازي , بحيث يستمر تنفيذ الأوامر في جملة الدوران Loop و تنفذ اوامر المقاطعة في نفس اللحظة .

فبدون الحاجة لجمل دوران و استخدام الأمر millis , نستطيع باستخدام المؤقتات الأستغناء عنها جميعاً .

كيف تعمل ؟

المؤقت يقوم بزيادة قيمة العد عند كل عملية , عبر مسجلات عدّ counter Registers , و هذه المسجلات Registers بدورها لها مقدار " قيمة معينة ", عندما تصل قيمة العد لهذه القيمة , تعود قيمة العداد إلى الصفر فيما يعرف بال Overflow و المسجل يقوم بتغيير قيمة Flag bit إلى الواحد ليبين لنا حدوث رجوع إلى الصفر Overflow هنا في هذه الحالة يمكننا جعل المؤقت يقوم بعملية مقاطعة لبرنامج معين في هذه اللحظة .

لذلك استخدام المؤقت Timer , لانه وسيلة سهلة و سريعة للتطبيقات العملية .

تعتمد المقاطعات Interrupt بشكل رئيسي على تردد ساعة المتحكم Crystal Clock source و أصغر قيمة يستطيع المتحكم قياسها هو قيمة تردد الساعة .

f= clock source (Hz).

t= Time Period (sec).

على سبيل المثال , بطاقة الأردوينو Arduino UNO لها كريستالة قيمتها 16,000,000هيرتز , و عليه تكون 

t=1/f = 1/16,000,000 = 62.5ns

من الآن سأتحدث حصراً على المتحكمين AVR ATmega168 /328 , نظراً لشيوعهما في بطاقات الأردوينوArduino Boards .

لنتعرف الآن على أنواع المؤقتات . 

Timer 0: هو مؤقت حجمه 8 bit و اقصى قيمة يستطيع هذا المؤقت الوصول إليها 255 , و هذا المؤقت يستعمل من برنامج الأردوينو لعمل جمل الmillis و delay 

Timer 1: و هذا المؤقت حجمه 16bit و أقصى قيمة يستطيع هذا المؤقت الوصول إليه هو 65535 , و هذا المؤقت يستعمل من برنامج الأردوينو في مكتبة محركات السيرفو Servo Library 

Timer 2: هو مؤقت حجمه 8 bit و اقصى قيمة يستطيع هذا المؤقت الوصول إليها 255 , و هذا المؤقت يستعمل من برنامج الأردوينو في انشاء أوامر  ()Tone .

كيفية برمجة المؤقتات :

نستخدم هنا مسجلات في المتحكم الأصغري لتخزين إعدادات المؤقت فيها , هناك مسجلين لضبط الإعدادات و هما TCCRxB و TCCRxA أو ما يعرف اختصاراً ب ( Timer/Counter Control Register ) و قيمة x  هي رقم المؤقت (0,1,2 ) و نحدد قيمة ال Prescaler  من النشرة الفنية Datasheet للمتحكم .
سنأخذ هذا المثال , و فيه سنقوم بإضاءة و أطفاء الLED المربوط مع المخرج D2 في كل مرة يحصل فيها Overflow  لقيمة العداد , و الذي سيعمل بسرعة هزاز المتحكم "16MHz"و سنشغل الISR في كل مرة يحصل فيها Overflow  للعداد .

البرنامج

لتحميل البرنامج

Download the code

في حال تطبيق هذا البرنامج فانه سيقوم بإضاءة و اطفاء الLED المربوط مع المدخل D2 بوقت منتظم بغض النظر عن البرنامج الرئيسي .

لكن لو فكرنا بتطبيق البرنامج ستلاحظ شيء مهم , هو أن الTIMER1 سعته 16Bit" اكبر قيمة 65535 و يصل لقيمة الoverflow في هذا البرنامج سيحتاج 62.5ns لتزيد قيمة العداد 1 و عليه ستصل قيمة العداد لأقصى قيمة و سيحدث ال overflow بعد :

O.F= 65535* 62.5*10^-9 =0.0041s

هذه سرعة عالية جداً و لا يفيدنا بالعديد من التطبيقات العملية , فما العمل لو أردنا عمل مؤقت يقوم بالعملية بشكل منتظم كل ثانية أو عدة ثواني و ليس أجزاء الثانية ! لذلك سنتكلم في الجزء الثاني عن الCTC Timer .

CTC Mode and Prescaling :

في حالة الoverflow يكون الprescaling فيها قيمة اقصاها 1024 وكما اوضحت في الفقرة السابقة فأنه لمؤقت بسرعة 62.5ns فإن للمؤقت دورة مقدارها تقريباً 0.0041 , لذلك هناك طريقة طورها مهندسو شركة اتميل Atmel نمط مؤقت يسمى clear timer or Compare match "CTC , فعوضاً عن انتظار العداد ليصل لقيمته القصوى و من ثم يعود للصفرOverflow يقوم المؤقت بمقارنة قيمة العدّ بقيمة نحددها و تحفظ في المسجل و عندما يصل عدّاد المؤقت  للقيمة التي نحددها للمؤقت , فيقوم المتحكم اما بضبط الflag reg =1 أو بقدح المخارج Output triggering.

كيفية استخدام الCTC Mode :

في البداية يجب ضبط ال (prescale (1,2,8,64,256,1024

و الحسابات المطلوبة هي  :

target time =timer resolution *(Number of timer count +1 ).

timer count = (target time/timer resolution ) - 1 .

target time : هو الوقت الذي نريد المقاطعة عنده 

timer resolution : (1,2,8,64,256,1024) 

سأكتب كود بسيط يقوم باضاءة و اطفاء الباعث الضوئي LED المربوط مع المدخل D13  .
و الكود كالآتي :

لتحميل البرنامج

Download the code

Picture for oscillscope wave form