帶ATiny的時(shí)間測(cè)量?jī)x(共7頁)

1、帶 ATiny 的時(shí)間(shjin)/間隔(jin g)測(cè)量?jī)x 作者(zuzh)：Vladimir Mitrovic, Croatia 本項(xiàng)目要說明的是，用很少的硬件就能做一 個(gè)多功能時(shí)間和間隔測(cè)量表，還帶易于讀數(shù) 的 LCD 顯示器的。 一種 ATtiny2313 型號(hào)的 AVR 微控制器可以測(cè)量輸入針腳 PD2 和 PD3 的脈沖的兩個(gè)連續(xù)邏輯電平轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間間 隔。在微秒級(jí)，測(cè)量時(shí)間間隔的范圍為 10 微 秒到 30 分鐘，測(cè)量精度為 1 微秒。 在毫 秒級(jí)，測(cè)量時(shí)間間隔的范圍為 1 毫秒到 4 小 時(shí)，測(cè)量精度為 1 毫秒。 在電路中，DIP 開關(guān)組 S2 決定了儀器的設(shè) 置，具體如

2、下： S2 1-8: 選擇脈沖邊沿（上升或下降）開始測(cè)量。 S2 2-7: 選擇脈沖邊沿（上升或下降）結(jié)束測(cè)量。 S2 3-6: 測(cè)量單位和精度（微秒或毫秒） S2 4-5: 測(cè)量模式（連續(xù)或單次/保持） 開關(guān)組功能和選項(xiàng)的詳細(xì)說明 見表1。 測(cè)量結(jié)果顯示在一個(gè) LC 顯示屏上，分兩行顯 示共 16 個(gè)字符。 第一行顯示所選的時(shí)間間 隔、測(cè)量單位和測(cè)量模式，第二行顯示測(cè)量結(jié) 果（時(shí)間）。 表 1 S2 1-8 S2 2-7 S2 3-6 S2 4-5 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間間隔 關(guān) 關(guān) x x 從下降邊沿到下一個(gè)下降邊沿。 關(guān) 開 x x 從下降沿到上升沿（2 個(gè)正脈沖的時(shí)間間隔）。 開 關(guān) x x 從上升

3、沿到下降沿（正脈沖持續(xù)時(shí)間）。 開 開 x x 從上升沿到下一個(gè)上升沿。 x x 開 x 測(cè)量單位為 s (t(min)=10s, t(max)=1800s (30m)。 x x 關(guān) x 測(cè)量單位為 ms (t(min)=1ms, t(max)=14400s (4h)。 x x x 關(guān) 連續(xù)測(cè)量：當(dāng)一次測(cè)量已結(jié)束且其結(jié)果已顯示時(shí)， 開始新的一次測(cè)量 x x x 開 單次測(cè)量：當(dāng)一次測(cè)量結(jié)束其結(jié)果顯示時(shí)，程序停止。 (x = 無關(guān)項(xiàng)) 元件列表 電阻器 R1,R3 = 10k R2 = 1k R4 = 39 R5 = 1k8 P1 = 10k 預(yù)設(shè) 電容器 C1 = 22F 35V radial

4、 C2,C3,C6 = 100nF C4 = 47pF 微調(diào) C5 = 22pF 半導(dǎo)體 D1 = 1N4001 D2,D3 = BAT41 D4 = 低電流 LED IC1 = 78L05 IC2 = ATtiny2313, Elektor Shop # 080876-41 其他 S1 = 觸覺開關(guān)，6mm 尺寸 S2 = 4 路 DIP 開關(guān) K1,K2 = PCB 安裝端子，引腳間距 5mm (0.2“) K3 = 10 路方形針座 X1 = 8MHz 石英晶體 LCD1 = LCD 模塊，2 行，16 字符 LCD 針座 16 路 1 行 0.1 間距 LCD 插座條 16 路 1 行

5、 0.1 間距 PCB， 參考 080876-I LED D4 在測(cè)量(cling)期間會(huì)亮燈，而在兩次測(cè)量的 間隔(jin g)以及 Hold 期內(nèi)則熄滅(xmi)。 其主要目的是， 在較長(zhǎng)的測(cè)量期內(nèi)指示測(cè)量正在進(jìn)行中。 當(dāng)然你也，可以略去 LED 和 R5。 在微秒級(jí)，ATtiny2313 內(nèi)的 8位 計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù) 器 0 設(shè)置為普通模式，比較匹配輸出 B 處在開動(dòng)狀態(tài)，計(jì)時(shí)器計(jì)算預(yù)分頻 的系統(tǒng)同步脈沖發(fā)生器脈沖。 由于使用了一個(gè) 8MHz 石英晶體 且分頻器的除數(shù)設(shè)定為 8 ，計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 的值每 微秒增加 1。 輸出比較寄 存器 B 設(shè)定為 255，每到 第 256 個(gè)脈沖時(shí)會(huì)觸

6、發(fā)輸出 比較針腳 (OC0D) 。OC0D 針腳內(nèi)在地與計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 的輸入端相連，而計(jì)時(shí)器/計(jì) 數(shù)器 1 計(jì)算 OC0D 上收到的 這些脈沖，計(jì)算精度為 16 位， 如此我們便制作了一個(gè) 25 位的 硬件計(jì)數(shù)器（16 位 T/C1+OC0D 位 +8 位 T/C0）。 軟件能實(shí)現(xiàn)額外的 6 位精度，在測(cè)量過程 中，程序循環(huán)運(yùn)行，等待停止測(cè)量信號(hào)，且不 斷收集計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 的溢位旗標(biāo) TOV1。 如果設(shè)定了 TOV1 的值，則程序?qū)?6 位 SW 計(jì)數(shù)器的值增加 1，并且清除 TOV1。 這 里不用中斷，因?yàn)橹袛嗫赡軙?huì)延遲識(shí)別停 止?fàn)顟B(tài)。 一個(gè) 31 位的計(jì)數(shù)器可以計(jì)算高達(dá) 2,1

7、47,483,647 微秒。 出于實(shí)用的考慮，微秒級(jí)最大測(cè)量(cling)時(shí)間定為 1,800,000,000 微秒（30 分鐘）。 毫秒級(jí)也 是通過大致相同的方式(fngsh)實(shí)現(xiàn)，除了將系統(tǒng)時(shí)鐘 的分頻(fn pn)系數(shù)設(shè)定為 8 外。 在測(cè)量后，把結(jié)果 除以 125，得出最大值 17,179,869 毫秒。 同 樣出于實(shí)用的考慮，毫秒級(jí)最大測(cè)量時(shí)間定為 14,400,000 毫秒（4 小時(shí)）。 當(dāng) ATtiny 的針腳 PD2（ 觸發(fā)斜率取決于 S2 1-8 的 設(shè)置）識(shí)別到一個(gè)下降或 上升邊沿時(shí)，測(cè)量開始， 同時(shí)執(zhí)行外部中斷向量 INT0。 當(dāng)針腳 PD3（ 觸發(fā)斜率取決于 S2 2-

8、7 的設(shè)置）識(shí)別到一個(gè)下 降或上升邊沿時(shí)，測(cè) 量停止，同時(shí)執(zhí)行外 部中斷向量 INT1。 為該項(xiàng)目編寫的程序可以從1免費(fèi)下載。 程 序是用 BascomAVR 編寫的，內(nèi)嵌有中斷匯 編碼并插入了對(duì)計(jì)時(shí)關(guān)鍵的程序。 在主循環(huán) 內(nèi)，程序一直監(jiān)視 S2 中的開關(guān)，啟動(dòng)測(cè)量并 顯示測(cè)量結(jié)果。 與之前的讀數(shù)相比，開關(guān)的 設(shè)置一發(fā)生變化，新的測(cè)量級(jí)別、模式和/或 開始/停止斜率就將被確定，顯示屏上的第一 行顯示內(nèi)容將會(huì)相應(yīng)地更新。 在量測(cè)例行程序的開頭，計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及 軟件計(jì)數(shù)器（對(duì) 26-31 位）被清零，OC0B 位 被重置，且外部中斷 INT0 啟動(dòng)。之后程序 循環(huán)運(yùn)行，等待 INT0 中斷發(fā)生

9、，觸發(fā) INT0 中斷程序。在該程序中，計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 啟 動(dòng)，一些計(jì)數(shù)器被設(shè)置成初始值，LED D3 亮 燈，INT0 中斷被關(guān)閉避免再次觸發(fā)，而 INT1 中斷被開啟。程序繼續(xù)循環(huán)運(yùn)行，等待 INT1 中斷發(fā)生，INT1 發(fā)生將觸發(fā) INT1 中斷程序。 在該程序中，計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 被停止，且往 后的外部中斷被關(guān)閉。 程序開始時(shí)，計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 被啟動(dòng)，并且 在程序運(yùn)行過程中無需停止和重新啟動(dòng)；因?yàn)?它計(jì)算來自計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 的脈沖，因此它 將與計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 同時(shí)開始和停止。 當(dāng)測(cè)量程序探測(cè)到兩個(gè)外部中斷都被關(guān)閉時(shí)， 一次測(cè)量即告完成。測(cè)量結(jié)果從硬件 (HW) 和軟件

10、 (SW) 寄存器收集得來，LED D3 被關(guān) 閉，進(jìn)行一些計(jì)算后測(cè)得的時(shí)間間隔顯示在顯 示器的下一行（第二行）。 至于精確度，計(jì)數(shù)器的硬件部分計(jì)算時(shí)鐘脈 沖，因此不可能有錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。 軟件部分計(jì)算 計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 溢位，會(huì)有幾個(gè)周期數(shù)的延 遲。 但是，當(dāng)計(jì)時(shí)器被停止時(shí)，HW 部分能 實(shí)現(xiàn)與硬件部分同步。 INT0 與 INT1 中斷程 序是精心編寫的，從程序開始到計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù) 器 0 在一個(gè)程序開始、在另一個(gè)程序停止這段 時(shí)間內(nèi)，延遲是完全相同的。 在外部中斷被 觸發(fā)到中斷程序開始啟動(dòng)這段時(shí)間內(nèi)，會(huì)有短 時(shí)間的延遲。 這段延遲的長(zhǎng)短取決于中斷被 觸發(fā)時(shí)正在被執(zhí)行的指令。 指令在 1-4 同

11、步 脈沖發(fā)生器周期內(nèi)執(zhí)行，因此差異最大可達(dá) 3 個(gè)同步脈沖發(fā)生器周期。 但是，由于計(jì)時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 0 計(jì)算的系統(tǒng)時(shí)鐘要除以 8，一次在兩 個(gè)級(jí)別（微秒和毫秒）的最終計(jì)數(shù)僅產(chǎn)生一個(gè) 1 的誤差。 因此，對(duì)總體精度有顯著影響的 唯一因素就是晶體精度 - 考慮當(dāng)您在顯示屏上 看到 t=123456789 s 的情形。 第二個(gè)需要(xyo)考慮的是測(cè)量時(shí)間，在毫秒級(jí)，測(cè) 量時(shí)間(shjin)可能持續(xù)幾個(gè)小時(shí)。 因此(ync)一個(gè)特別的 SW 計(jì)數(shù)器在等待循環(huán)中（在測(cè)量期內(nèi)有兩個(gè) 等待循環(huán)；等待開始信號(hào)和等待停止信號(hào)）被 啟動(dòng)。 該計(jì)數(shù)器可能計(jì)算到預(yù)先設(shè)定的測(cè)量 時(shí)間的最大值，在這種情況下，計(jì)數(shù)器停止

12、繼 續(xù)測(cè)量，并顯示 t14400000。 起初，測(cè) 量時(shí)間的最大值被設(shè)定為允許的最大值，即微 秒級(jí)為 30 分鐘，毫秒級(jí)為 4 小時(shí)。 與其他開關(guān)一樣，測(cè)量開始前，讀取 S2 4-5。 但是，如果該開關(guān)被關(guān)閉（并且單次/保持模 式被激活）則程序以另一種方式運(yùn)行： 在等待開始信號(hào)時(shí)，測(cè)量時(shí)間最大值計(jì)數(shù)器被 阻止，但在等待停止信號(hào)時(shí)（在等待一次非重 復(fù)的脈沖發(fā)生時(shí)，允許無限時(shí)等待時(shí)間，盡 管脈沖持續(xù)時(shí)間仍被限制在測(cè)量時(shí)間最大值之 內(nèi)），它被再次開啟。 當(dāng)測(cè)量結(jié)果顯示在顯示屏上時(shí)，程序在循環(huán)中 等待，通常監(jiān)視 S2 4-5，一旦打開開關(guān)，會(huì)立 即繼續(xù)運(yùn)行。 供應(yīng)給該項(xiàng)目的 TmeterElektor

13、.bas 程序應(yīng) 在第一次使用前寫入 ATtiny2313 微控制器。 必須確保為外部晶體諧振器 (CKSEL31,0 = 1111) 的Flash 熔絲位 CKSEL3.0 設(shè)一個(gè)合 適的值，因?yàn)槟J(rèn)選擇的是內(nèi)部 RC 振蕩器。 晶體的頻率必須剛好等于 8,000 MHz，這非常 重要，因?yàn)檫@決定了總體精度。 使用一個(gè)微 調(diào)電容器 C4 用來微調(diào)晶體頻率。 如果您對(duì) 晶體的頻率很滿意，則用一個(gè)固定電容器代 替 C4。 您也可以用一個(gè)精確的石英振蕩器來 驅(qū)動(dòng)微控制器；此時(shí)可不用 C4、C5 以及 X1 ，而把振蕩器的輸出端連接到 XTAL1 的輸入 端。 調(diào)節(jié) P1 以獲得最佳的顯示對(duì)比度。

14、在程序中，起初測(cè)量時(shí)間的最大值被設(shè)定為 常數(shù)： Const Tmax_us_default = 1800 max measuring time for us range s Const Tmax_ms_default = 14400 max measuring time for ms range s 推薦使用(shyng)上面所列的值作為測(cè)量時(shí)間最大值， 當(dāng)然用戶(yngh)可以用適當(dāng)?shù)谋容^小的值來代替這些 推薦值，例如(lr)： Const Tmax_us_default = 60 max measuring time for us range s Const Tmax_ms_default

15、 = 300 max measuring time for ms range s 這樣就會(huì)把測(cè)量時(shí)間的最大值縮短到 60 微秒 （微秒級(jí)的情況下）和 300 秒（毫秒級(jí)的情 況下）。 當(dāng)然，改變這些最大值之后需要重 新編寫程序并把改寫的程序重新寫入微控制 器。 選擇測(cè)量時(shí)間的最佳最大值非常重要， 因?yàn)槿绻斎腚娖讲蛔儠r(shí)（或者，如果電平躍 遷發(fā)生過于緩慢時(shí)，程序?qū)⒌却L(zhǎng)達(dá)兩倍的測(cè) 量時(shí)間最大值），程序循環(huán)運(yùn)行并等待，等待 的時(shí)間等于測(cè)量時(shí)間最大值。 改變測(cè)量時(shí)間最大值的另一個(gè)方法是在微控 制器的 EEPROM 中把合適的值編成 16 位無 符號(hào)的二進(jìn)制值，參見表 2。 這些值應(yīng)以秒 為單位。 程

16、序的原理如下： 如果 EEPROM 為空 (FFh)，則使用程序中預(yù) 先設(shè)定的測(cè)量時(shí)間最大值。 如果微秒級(jí)的 EEPROM 的值大于 1800，則 使用程序中為微秒級(jí)預(yù)設(shè)的測(cè)量時(shí)間最大值。 如果毫秒級(jí)的 EEPROM 的值大于 14400，則 使用程序中為毫秒級(jí)預(yù)設(shè)的測(cè)量時(shí)間最大值。 任何在允許范圍內(nèi)的 EEPROM 值將被使用， 這種情況下就不是用程序中為該測(cè)量級(jí)別預(yù)設(shè) 的測(cè)量時(shí)間最大值。 表 2 EEPROM 數(shù)值 EEPROM 評(píng)價(jià) 000 0000 LSB 最大微秒級(jí)測(cè)量時(shí)間 s 000 0001 MSB 000 0010 LSB 最大毫秒級(jí)測(cè)量時(shí)間 s 000 0011 MSB 在主程序循環(huán)開始時(shí)，將讀取配置開關(guān)組。 長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量可能會(huì)造成混淆，因?yàn)樵谡谶M(jìn) 行的測(cè)量未結(jié)束且測(cè)量結(jié)果未顯示出來之前， 顯示屏上顯示的是舊的設(shè)置以及前一次的測(cè)量 結(jié)果。 您只要在新的開關(guān)設(shè)置之后立即重新 設(shè)置微控制器，即可加快這個(gè)過程。 如要重 新設(shè)置微控制器，按重設(shè)按鍵。 在單次/保持模式下，您可以按下述方法開始 新的測(cè)量： 開啟(kiq) S2 4-5 以重新啟動(dòng)持續(xù)(chx)測(cè)量模式或重新 設(shè)置(shzh)微控制器以重新啟動(dòng)單次/保持模式（用 這種方法，您無法通過快速打