Timers do ATmega328 no Arduino

Introdução

Temporização é fundamental quando se trabalha com circuitos microcontrolados, seja para um simples delay ou para geração de sinais ou eventos periódicos. Desde o mais simples microcontrolador sempre está disponível pelo menos um periférico temporizador/contator. Esse periférico possui hardware dedicado para contagem de tempo e o seu correto uso, auxilia em uma programação eficiente para realização de diversos projetos.

Neste artigo vamos explorar os recursos de um dos timers do ATmega328, o TIMER1, utilizado na plataforma Arduino, entendendo seu funcionamento e o uso de seus registradores.

Timers do ATmega328

O Atmega328, utilizado na placa Arduino UNO, possui 3 timers, sendo dois de 8 bits (TIMER0 e TIMER2) e um de 16 bits (TIMER1). Esses temporizadores são importantes para diversas funcionalidades, tais como: 

• Temporização;
• Contagem de eventos externos;
• Geração de sinais PWM;
• Interrupções periódicas;
• Medida de intervalos de pulsos.

Cada temporizador possui características próprias e são utilizados conforme os recursos disponíveis. A biblioteca do Arduino abstrai o uso destes temporizadores em muitas de suas funções. Por exemplos, as funções delay(), millis(), micros(), tone(), analogWrite() utilizam recursos de timers para o funcionamento.

O TIMER1 é utilizado somente em algumas bibliotecas no Arduino específicas, podendo ser utilizado para outras finalidades sem causar muito impacto no funcionamento do restante das funções. A seguir serão apresentadas suas características.

TIMER 1

O TIMER1 é um temporizador de 16 bits que permite a contagem de eventos, geração de sinal PWM, medida de pulsos, etc. Seu diagrama de blocos, conforme apresentado no datasheet do ATmega328  é apresentado na figura 1:

Registradores

O controle do modo de operação do TIMER1 é feito nos registradores TCCR1A e TCCR1B, conforme descrição a seguir. 

Bits 7:6 - COM1A1:0: Compare Output Mode for Channel A

Bits 5:4 – COM1B1:0: Compare Output Mode for Channel B

COM1A1:0 e COM1B1:0 controlam os pinos de Output compare (OC1A e OC1B), respectivamente, conforme tabelas a seguir:

Tabela 1: Configuração para Modo não PWM

Tabela 2: Configuração para modo PWM rápido

Tabela 3: configuração para modo PWM com correção de fase e frequência 

Bits 1:0 - WGM11:0: Waveform Generation Mode

Juntos com os bits WGM13:2 encontrados no registrador TCCR1B, controlam o funcionamento do TIMER1, conforme tabela 4 a seguir:

Tabela 4: Modos de funcionamento do TIMER 1 

Bit 7 – ICNC1: Input Capture Noise Canceler

Bit para habilitar filtro de ruído no pino de captura ICP1.

Bit 6 – ICES1: Input Capture Edge Select

Seleciona qual borda no pino de entrada (ICP1) será usada para disparar evento de captura.

Bit 5 – Reserved

Bit reservado, deve ser escrito zero.

Bit 4:3 – WGM13:2: Waveform Generation Mode

Conforme apresentado anteriormente e exibido na tabela 4

Bit 2:0 – CS12:0: Clock Select

Bits para seleção de clock, conforme tabela 5

Tabela 5 - Configuração para seleção de clock

Conforme observado na figura 1, exitem outros registradores para funcionamento do TIMER1:

TCNT1H and TCNT1L – Timer/Counter1:

Resgistradores de armazenamento de contagem do timer.

OCR1AH and OCR1AL – Output Compare Register 1 A

OCR1BH and OCR1BL – Output Compare Register 1 B:

Registradores para comparação de contagem com o TCNT1. A igualdade pode gerar uma interrupção ou gera uma saída de onda nos pinos OC1A ou OC1B.

ICR1H and ICR1L – Input Capture Register 1:

Registradores para armazenamento de captura quando um evento ocorrer no pino ICP1.

TIMSK1 – Timer/Counter1 Interrupt Mask Register:

Registrador para habilitar as interrupções disponíveis no TIMER1.

TIFR1 – Timer/Counter1 Interrupt Flag Register

Registrador para flags de interrupções.

Para mais detalhes do funcionamento dos registradores, acesse o datasheet do ATmega328.

Utilizando o TIMER1  no Arduino

Modo Normal com interrupção por overflow

O exemplo a seguir exibe como piscar o LED no pino 13, da placa Arduino UNO, em intervalos de 1 segundo e utilizando interrupção por estouro timer: 

#define ledPin 13

void setup()
{
  pinMode(ledPin, OUTPUT);

  // Configuração do timer1 
  TCCR1A = 0;                        //confira timer para operação normal pinos OC1A e OC1B desconectados
  TCCR1B = 0;                        //limpa registrador
  TCCR1B |= (1<<CS10)|(1 << CS12);   // configura prescaler para 1024: CS12 = 1 e CS10 = 1

  TCNT1 = 0xC2F7;                    // incia timer com valor para que estouro ocorra em 1 segundo
                                     // 65536-(16MHz/1024/1Hz) = 49911 = 0xC2F7
  
  TIMSK1 |= (1 << TOIE1);           // habilita a interrupção do TIMER1
}


void loop()
{
  //loop principal. a manipulação do led é feita na ISR
}


ISR(TIMER1_OVF_vect)                              //interrupção do TIMER1 
{
  TCNT1 = 0xC2F7;                                 // Renicia TIMER
  digitalWrite(ledPin, digitalRead(ledPin) ^ 1); //inverte estado do led
}

Nesse exemplo o timer foi configurado para modo normal, com pinos OC1A e OC1B desconectados (TCCR1A = 0). Foi selecionado o prescaler para 1024 através do registrador TCCR1B.  Para que o timer estoure a cada segundo é necessário iniciar seu valor com a diferença entre o seu valor máximo (65536) e o período desejado. O período é calculado levando em consideração a frequência do oscilador e o prescaler selecionado, além da frequência de interrupção desejada. Por fim foi habilitada a interrupção de estouro do TIMER1 através do bit T0IE1 do registrador TIMSK1. A inversão do LED é feita na rotina de interrupção, note que é necessário recarregar o timer para a correta contagem.

MODO CTC interrupção por comparação

O exemplo a seguir exibe como piscar o LED, utilizando o modo CTC e gerando interrupção por comparação: 

#define ledPin 13

void setup()
{
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  
  // Configuração do TIMER1
  TCCR1A = 0;                //confira timer para operação normal
  TCCR1B = 0;                //limpa registrador
  TCNT1  = 0;                //zera temporizado

  OCR1A = 0x3D09;            // carrega registrador de comparação: 16MHz/1024/1Hz = 15625 = 0X3D09
  TCCR1B |= (1 << WGM12)|(1<<CS10)|(1 << CS12);   // modo CTC, prescaler de 1024: CS12 = 1 e CS10 = 1  
  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);  // habilita interrupção por igualdade de comparação
}


void loop()
{
  //loop principal. a manipulação do led é feita na ISR
}

ISR(TIMER1_COMPA_vect)          // interrupção por igualdade de comparação no TIMER1
{
  digitalWrite(ledPin, digitalRead(ledPin) ^ 1);   //inverte estado do LED
}

Nesse exemplo é utilizado o modo CTC, dessa forma o valor de contagem do timer é constantemente comparado com o registrador OCR1A. Para o funcionamento foi selecionado o modo CTC, bit WGM12 = 1 e configurado o prescaler para 1024. O valor de comparação foi carregado no registrador OCR1A e por último foi habilitada a interrupção de comparação. A inversão do LED é feita na rotina de interrupção, e note que não é necessário reiniciar o timer com um valor, pois o modo CTC zera o timer quando atingido valor de comparação.

Está disponível no sites do Arduino uma biblioteca para manipulação do TIMER1. Essa biblioteca abstrai todas as configurações dos registradores facilitando o uso do TIMER1.

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