PIC 单片机的硬件限制定时器 TB3122 作者 : 简介 Swathi Sridhar Microchip Technology Inc. PIC 单片机配置了在安全关键型应用中实现故障检测的硬件特性 硬件限制定时器 (Hardware Limit Timer, HLT) 具有此类特性, 可以由硬件监视丢失的周期事件 该片上外设可以检测外部硬件故障状况, 例如电机控制应用中的堵转和停止状况 此外, 还可以用于任何依靠外部信号的精确计时应用 本文档旨在让读者熟悉 HLT 的功能及其各种工作模式 硬件限制定时器 硬件限制定时器是 Microchip PIC 单片机的增强型 Timer2 模块, 添加了异步外部复位功能和单事件功能 该定时器可以基于外部事件启动 停止和复位 这个外部信号可以来自外部输入引脚, 也可以基于独立于内核的片上外设产生, 例如比较器或过零检测 (Zero-Cross Detect, ZCD) 该定时器可以在预期事件丢失时产生中断信号 使用 HLT 特性可以最大程度地降低 CPU 开销, 使 CPU 可以处理其他时间关键型应用程序 HLT 无需使用任何外部元件即可处理故障 它具有多种工作模式和可选时钟源, 有助于灵活地实现设计 图 1 给出了具有硬件限制特性的 Timer2 的简化框图 通过将 TxCON 寄存器的 ON 位置 1, 可以启动 HLT 工作模式由 TxHLT 寄存器的 MODE 位进行控制 图 1: RSEL TxINPPS TxIN PPS HLT 的简化框图 MODE<4:0> MODE<3> TMRx_ers 2 CCP_pset MODE<4:3>=01 MODE<4:1>=1011 D ON Q CKPOL TMRx_clk 3 0 1 TMRx R TMRxIF 1 CKPS<2:0> Fosc/4 PSYNC TMRx_postscaled ON 2 1 0 PRx 4 OUTPS<3:0> CKSYNC 2015 Microchip Technology Inc. DS90003122A_CN 第 1 页
可以使用以下时钟源之一为硬件限制定时器提供时钟 : FOSC ( 系统时钟 ) FOSC/4 ( 指令时钟 ) LFINTOSC ( 低频内部振荡器 ) MFINTOSC ( 中频内部振荡器 ) HFINTOSC ( 高频内部振荡器 ) Timer0 或 Timer1 输出引脚 定时器输入引脚对于 HLT 的外部源, 可以选择以下外部触发源 : 互补波形发生器 (Complementary Waveform Generator, CWG) 过零检测 (ZCD) 捕捉 / 比较 /PWM(Capture/Compare/PWM,CCP) Timer4 Timer6 比较器 工作模式 HLT 的模式大致可分为计满返回脉冲模式 单事件模式和单稳态模式 这些模式的硬件限制定时器特性允许选定输入清零 TMRx 寄存器和重新启动计时序列 同时定义了边沿敏感和电平敏感的选项 表 1 总结了定时器的所有模式和每种模式的工作方式 注 : 其中一些特性可能因产品系列不同而有所不同 更多详细信息, 请参见产品的具体数据手册 表 1: HLT 工作模式与启动 停止和复位条件 模式工作启动复位停止 软件门 ON 位由软件控制, 传统 Timer2 操作 ON = 1 周期匹配事件 ON = 0 硬件门, 高电平有效 硬件门, 高电平有效 输入信号 = 1, 周期匹配事件 输入信号 = 0, 或 ON = 0 硬件门, 硬件门, 低电平有效低电平有效计满返回脉冲输入任一边沿时复位计满返回脉冲与输入上升沿时复位 HLT 操作 ( 边沿输入下降沿时复位触发硬件限制模输入低电平有效时式和电平触发硬件限制模式 ) (1) 复位输入高电平有效时复位注 1: 表中粗体显示的模式为 HLT 模式 输入信号 = 0, ON = 1 周期匹配事件输入边沿输入上升沿输入下降沿输入信号 = 0 输入信号 = 1 输入信号 = 1, 或 ON = 0 ON = 0 ON = 0 或由输入信号保持在复位状态 DS90003122A_CN 第 2 页 2015 Microchip Technology Inc.
表 1: HLT 工作模式与启动 停止和复位条件 ( 续 ) 单事件模式 模式工作启动复位停止 单事件软件启动 ON 位由软件控制 ON = 1 周期匹配事件 输入上升沿时启动 输入信号上升沿, 单事件边沿触发启动 单事件边沿触发启动与 HLT 操作 ( 边沿触发硬件限制单事件模式 ) (1) 单事件电平触发启动与 HLT 操作 ( 电平触发硬件限制单事件模式 ) * 输入下降沿时启动 输入任一边沿时启动 输入上升沿时启动和复位 输入下降沿时启动和复位 输入上升沿时启动, 低电平有效时复位 输入下降沿时启动, 高电平有效时复位 输入高电平时启动, 低电平有效时复位 输入低电平时启动, 高电平有效时复位 输入信号下降沿, 输入信号任一边沿, 输入信号上升沿, 输入信号下降沿, 输入信号上升沿, 输入信号下降沿, 输入信号 = 1, 输入信号 = 0, 周期匹配事件 输入信号上升沿 输入信号下降沿 输入信号 = 0 输入信号 = 1 输入信号 = 0 输入信号 = 1 ON = 0 或周期匹配后的下一个时钟, 直到用软件将 ON 位置 1 ON = 0 或保持在复位状态 输入任一边沿时复位 输入信号上升沿, 单稳态 边沿触发启动 输入上升沿时复位 输入信号上升沿, 周期匹配事件 ON = 0 或周期匹配后的下一个时钟, 直到下一个输入边沿 输入下降沿时复位 输入信号上升沿, 注 1: 表中粗体显示的模式为 HLT 模式 以下几节将提供关于计满返回脉冲模式和单事件模式这两种 HLT 模式的更多详细信息 2015 Microchip Technology Inc. DS90003122A_CN 第 3 页
带硬件限制定时器的计满返回脉冲模式 在计满返回脉冲模式下, 用户可以使用 ON 位启动和停止定时器 当 ON 位置 1 时, 定时器随每个时钟输入递增 ; 当 ON 位清零时, 定时器停止递增 如果 ON 位再次置 1, 定时器会从它停止的位置继续递增 在发生周期匹配时, 定时器会在下一个时钟复位, 并继续从 0 开始计数 带硬件限制功能的计满返回脉冲模式包括 : 边沿触发硬件限制模式 电平触发硬件限制模式在边沿触发硬件限制模式下, 将 ON 位置 1 会启动定时器 外部信号可以在发生周期匹配之前复位定时器 用于复位的外部边沿可以为 : 在上升沿时复位 (MODE<4:0> = 00101) 在下降沿时复位 (MODE<4:0> = 00100) 上升沿或下降沿中的任一边沿可以复位计数器 (MODE<4:0> = 00011) 此外, 也可以使用外部信号电平来复位定时器 该电平可以为高电平状态或低电平状态 (MODE<4:0> = 00010 或 MODE<4:0> = 00001) 图 2 说明了边沿触发硬件限制模式和电平触发硬件限制模式的操作 注 1: ON 位的置 1 和清零由 CPU 执行 CPU 执行是与定时器时钟输入异步的 2: 定时器事件最多需要消耗两个时钟周期来完成启动和停止 DS90003122A_CN 第 4 页 2015 Microchip Technology Inc.
ON 1 ON = 0 TB3122 图 2: 边沿触发和电平触发硬件限制模式的时序图 TMR HLT TMRx HLT TMRx_Postscaled HLT TMRx HLT TMRx_Postscaled 2015 Microchip Technology Inc. DS90003122A_CN 第 5 页
单事件模式 不同于计满返回脉冲模式, 在单事件模式下, ON 位由硬件在定时器计满返回时清零 只会产生一个定时器中断, 并且定时器会停止计数 要启动另一个定时器周期, 必须用软件将 ON 位置 1 如果用户希望对单个事件而不是周期性事件进行计时, 该模式会很有用 带硬件限制功能的单事件模式包括 : 边沿触发硬件限制单事件模式 电平触发硬件限制单事件模式边沿触发硬件限制单事件模式不仅具有边沿触发启动的功能, 而且它会在出现外部信号的后续边沿时复位定时器 ( 即, 在 ON 位置 1 后, 在外部信号出现第一个边沿时启动定时器 ) 定时器会一直运行, 直到出现外部信号的另一个边沿或直到发生周期匹配 定时器会在后续的复位边沿后自动恢复计数, 并运行到发生周期匹配为止 有两种方法实现该模式 : 上升沿时启动和复位 (MODE<4:0> = 01100) 下降沿时启动和复位 (MODE<4:0> = 01101) 在电平触发硬件限制单事件模式下, 外部信号的电平可以启动和复位定时器 该电平可以配置为高电平状态或低电平状态 (MODE<4:0> = 01110 或 MODE<4:0> = 01111) 只有 ON 位置 1 且出现外部信号时, 定时器才会启动 定时器会一直保持运行, 直到外部信号的电平发生变化为止 当外部信号的电平状态发生变化时, 定时器会复位 复位电平可以为高电平或低电平 图 3 说明了边沿触发单事件硬件限制模式和电平触发单事件硬件限制模式的操作 DS90003122A_CN 第 6 页 2015 Microchip Technology Inc.
2015 Microchip Technology Inc. DS90003122A_CN 第 7 页 图 3: 边沿触发硬件限制和电平触发硬件限制单事件模式的时序图 TMR TMRx TMRx_Postscaled HLT TMRx HLT TMRx_Postscaled ON = 0 ON TB3122
单稳态模式 在该模式下, 定时器会在计满返回后停止, 但它不会清零 ON 位 同样, 需要一个外部信号边沿来启动定时器 定时器在清零 ON 位或发生周期匹配事件时停止 以下边沿将启动定时器 : 上升沿 (MODE<4:0> = 10001) 下降沿 (MODE<4:0> = 10010) 上升沿或下降沿 (MODE<4:0> = 10011) 带硬件限制功能的 TIMER2 的配置 表 2 汇总了与硬件限制定时器相关的寄存器 表 2: 与带硬件限制功能的 TIMER2 相关的寄存器 名称 Bit 7 Bit 6 Bit 5 Bit 4 Bit 3 Bit 2 Bit 1 Bit 0 TxCLKCON TxCS<2:0> TxCON ON CKPS<2:0> OUTPS<3:0> TxRST RSEL<3:0> TxHLT PSYNC CKPOL CKSYNC MODE<3:0> TxCLKCON 寄存器的 TxCS 位用于时钟选择 外部信号 源选择在 TxRST 寄存器中完成 预分频比和后分频比设 置在 TxCON 寄存器中完成 例 1 给出了用于将 Timer2 寄存器配置为在边沿触发计满返回脉冲硬件限制模式下 工作的代码片段 例 1: 将 TIMER2 配置为在边沿触发硬件限制模式下工作的代码片段 T2CLKCONbits.T2CS = 0b0000; //Clock input is Fosc/4 T2CONbits.CKPS = 0b111; //Prescaler setting 1:128 T2CONbits.OUTPS = 0b1111; //Postscaler setting 1:16 T2RSTbits.RSEL = 0b0000; //Selecting Timer2 input as external source T2HLTbits.PSYNC = 1; //Prescaler synchronization bit T2HLTbits.CKPOL = 0; //Rising edge of input clock clocks timer T2HLTbits.CKSYNC = 1; //ON bit synchronized to input clock T2HLTbits.MODE = 0b01100; //Edge triggered hardware limit mode rising edge T2CONbits.ON = 1; //Timer is switched on DS90003122A_CN 第 8 页 2015 Microchip Technology Inc.
使用 MPLAB 代码配置器为 HLT 生成代码 MPLAB 代码配置器是 MPLAB X IDE 的插件工具, 可根据 GUI 中的设置和选择生成用于控制和驱动 HLT 的驱动程序 用户可以进行时钟源选择 预分频比和后分频比设置, 满足所需的时间周期要求 外部源选择和工作模式可以通过 GUI 提供的下拉选择列表选取 ( 见图 4) 关于进一步的详细信息, 请参见 MPLAB 代码配置器用户指南 (DS40001725B_CN) 图 4: MPLAB 代码配置器中的 TIMER2 GUI 用于 HLT 的 API 列表 以下 API 是由 MCC 为 HLT 模块生成的 : void TMR2_Initialize(void): 该 API 初始化 TxCON TxCLKCON TxHLT TxRST TxPR TxTMR 和中断标志位, 并用于启动定时器 void TMR2_ModeSet(TMR2_HLT_MODE mode): 该 API 用于配置不同类型的 HLT 模式 void TMR2_ExtResetSourceSet (TMR2_HLT_EXT_RESET_SOURCE reset): 该 API 用于配置不同类型的 HLT 外部复位源 void TMR2_Start(void): 该 API 通过写入 TMRxON 位来启动定时器 void TMR2_Stop(void): 该 API 通过清零 TMRxON 位来停止定时器 uint8_t TMR2_Counter8BitGet(void): 该 API 用于获取 TxTMR 寄存器值 void TMR2_Counter8BitSet(uint8_t timerval): 该 API 用于写入定时器寄存器 void TMR2_Period8BitSet(uint8_t periodval): 该 API 用于将周期寄存器设置为一个特定值 void TMR2_Period8BitSet(uint8_t periodval): 该 API 用于检查是否发生了溢出, 这通过检查 TMRIF 位来完成 结论 本技术简介介绍了硬件限制定时器模块在 PIC 单片机上如何工作 它让读者了解计满返回脉冲模式和单事件模式的硬件限制功能 正如本技术简介所述, 处于其适用模式的定时器可以用于在电机中和在电源的变频 PWM 中进行故障检测 更多详细信息, 请参见每个产品的具体数据手册 2015 Microchip Technology Inc. DS90003122A_CN 第 9 页
附录 A: 硬件限制定时器的应用 A.1 使用 HLT 在电机中进行故障检测 在边沿触发硬件限制定时器模式下工作的 HLT 可以用于冷却风扇电机的故障检测 ( 图 A-1) 风扇的 RPM 传感器或转速计输出用作送至 HLT 的外部信号 定时器的周期寄存器设置为大于风扇 RPM 计数或高于风扇转速计输出频率的足够大的值 正常情况下, 当风扇在旋转时, 它会提供周期性的转速计脉冲 这些脉冲会在发生周期匹配之前复位定时器, 然后定时器会重新开始计数 在风扇出现故障的情况下 ( 例如风扇堵转 ), 它会停止提供转速计脉冲 在这种情形下, 定时器会继续递增, 直到发生周期匹配 该事件会产生中断, 可以通过注册该中断来指示风扇不在旋转, 发生了故障 A.2 使用 HLT 产生固定开启时间变频 PWM 对于在临界导通模式下工作 采用软开关的直流 / 直流转换器应用, 可以使用单稳态边沿触发启动模式 通过检测零电感电流 ( 用作送至定时器的外部信号 ), 可以将 HLT 启动一段固定的开启时间 周期寄存器可以设置为一个大于最大开启时间的足够大的值 将 HLT 与 CCP 配合使用来产生 PWM 时, 输出脉冲会一直保持有效, 直到 CCP 占空比寄存器与定时器寄存器发生匹配为止 ( 图 A-2) 下一个脉冲只会在下一个外部边沿 ( 即电感电流的 ZCD 事件 ) 处开始 图 A-3 给出了一个产生固定开启时间变频 PWM 的示例 图 A-1: 电机中的故障检测 图 A-2: 带 HLT 的 TIMER2 与 CCP 的互连 检测的电感电流 CMP FOSC 4 tmr2_ers HLT PIC MCU CCP PWM DS90003122A_CN 第 10 页 2015 Microchip Technology Inc.
图 A-3: 固定开启时间变频 PWM 发生 固定开启时间 可变频率 电感电流 CCP PWM t ON t OFF1 t ON t OFF2 t ON t OFF3 T 1 T 2 T 3 2015 Microchip Technology Inc. DS90003122A_CN 第 11 页
请注意以下有关 Microchip 器件代码保护功能的要点 : Microchip 的产品均达到 Microchip 数据手册中所述的技术指标 Microchip 确信 : 在正常使用的情况下, Microchip 系列产品是当今市场上同类产品中最安全的产品之一 目前, 仍存在着恶意 甚至是非法破坏代码保护功能的行为 就我们所知, 所有这些行为都不是以 Microchip 数据手册中规定的操作规范来使用 Microchip 产品的 这样做的人极可能侵犯了知识产权 Microchip 愿与那些注重代码完整性的客户合作 Microchip 或任何其他半导体厂商均无法保证其代码的安全性 代码保护并不意味着我们保证产品是 牢不可破 的 代码保护功能处于持续发展中 Microchip 承诺将不断改进产品的代码保护功能 任何试图破坏 Microchip 代码保护功能的行为均可视为违反了 数字器件千年版权法案 (Digital Millennium Copyright Act) 如果这种行为导致他人在未经授权的情况下, 能访问您的软件或其他受版权保护的成果, 您有权依据该法案提起诉讼, 从而制止这种行为 提供本文档的中文版本仅为了便于理解 请勿忽视文档中包含的英文部分, 因为其中提供了有关 Microchip 产品性能和使用情况的有用信息 Microchip Technology Inc. 及其分公司和相关公司 各级主管与员工及事务代理机构对译文中可能存在的任何差错不承担任何责任 建议参考 Microchip Technology Inc. 的英文原版文档 本出版物中所述的器件应用信息及其他类似内容仅为您提供便利, 它们可能由更新之信息所替代 确保应用符合技术规范, 是您自身应负的责任 Microchip 对这些信息不作任何明示或暗示 书面或口头 法定或其他形式的声明或担保, 包括但不限于针对其使用情况 质量 性能 适销性或特定用途的适用性的声明或担保 Microchip 对因这些信息及使用这些信息而引起的后果不承担任何责任 如果将 Microchip 器件用于生命维持和 / 或生命安全应用, 一切风险由买方自负 买方同意在由此引发任何一切伤害 索赔 诉讼或费用时, 会维护和保障 Microchip 免于承担法律责任, 并加以赔偿 在 Microchip 知识产权保护下, 不得暗中或以其他方式转让任何许可证 商标 Microchip 的名称和徽标组合 Microchip 徽标 dspic FlashFlex flexpwr JukeBlox KEELOQ KEELOQ 徽标 Kleer LANCheck MediaLB MOST MOST 徽标 MPLAB OptoLyzer PIC PICSTART PIC 32 徽标 RightTouch SpyNIC SST SST 徽标 SuperFlash 及 UNI/O 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的注册商标 The Embedded Control Solutions Company 和 mtouch 为 Microchip Technology Inc. 在美国的注册商标 Analog-for-the-Digital Age BodyCom chipkit chipkit 徽标 CodeGuard dspicdem dspicdem.net ECAN In-Circuit Serial Programming ICSP Inter-Chip Connectivity KleerNet KleerNet 徽标 MiWi MPASM MPF MPLAB Certified 徽标 MPLIB MPLINK MultiTRAK NetDetach Omniscient Code Generation PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail RightTouch 徽标 REAL ICE SQI Serial Quad I/O Total Endurance TSHARC USBCheck VariSense ViewSpan WiperLock Wireless DNA 和 ZENA 均为 Microchip Technology Inc. 在美国和其他国家或地区的商标 SQTP 为 Microchip Technology Inc. 在美国的服务标记 Silicon Storage Technology 为 Microchip Technology Inc. 在除美国外的国家或地区的注册商标 GestIC 为 Microchip Technology Inc. 的子公司 Microchip Technology Germany II GmbH & Co. & KG 在除美国外的国家或地区的注册商标 在此提及的所有其他商标均为各持有公司所有 2015, Microchip Technology Inc. 版权所有 ISBN:978-1-63277-444-6 QUALITY MANAGEMENT SYSTEM CERTIFIED BY DNV == ISO/TS 16949 == Microchip 位于美国亚利桑那州 Chandler 和 Tempe 与位于俄勒冈州 Gresham 的全球总部 设计和晶圆生产厂及位于美国加利福尼亚州和印度的设计中心均通过了 ISO/TS-16949:2009 认证 Microchip 的 PIC MCU 与 dspic DSC KEELOQ 跳码器件 串行 EEPROM 单片机外设 非易失性存储器和模拟产品严格遵守公司的质量体系流程 此外, Microchip 在开发系统的设计和生产方面的质量体系也已通过了 ISO 9001:2000 认证 DS90003122A_CN 第 12 页 2015 Microchip Technology Inc.
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