در این فصل به معرفی واحد Timer-Counter در میکروکنترلر‌های AVR می­‌پردازیم همچنین به معرفی قابلیت­‌های این واحد پرداخته و نهایتا با انجام چند پروژه‌ی عملی پرونده‌ی این فصل را می‌بندیم.

واحد Timer-Counter و روش استفاده از این واحد یکی از مهم‌ترین و کاربردی‌ترین بخش­‌های کار با یک میکروکنترلر AVR است. در ابتدا کمی به معرفی کلمات کلیدی این فصل همانند Clock و Counter می‌پردازیم.

مفهوم سیگنال Clock :

سیگنال Clock یک سیگنال منحصر به فرد است که بین دو سطح بالا و پایین نوسان می­‌کند.

در الکترونیک به سطح بالا در اصطلاح High-state و به سطح پایین Low-state گفته می­‌شود. برای درک بهتر این مفهوم ابتدا به شکل زیر نگاه بیندازید:

شکل ۱: یک موج مربعی به همراه ویژگی‌هایش

شکل ۱ همان­‌طور که از فصل­‌های قبل به خاطر دارید شکل یک موج مربعی است. اما هر موج مربعی می‌تواند با ۴ ویژگی منحصر به فرد شناخته شود:

ویژگی اول (High-state) :

این ویژگی برای بیان بالاترین سطح ولتاژ سیگنال مربعی به کار می­‌رود. در واقع با دانستن این خاصیت در مورد یک موج مربعی می‌فهمیم بالاترین سطح ولتاژی که می‌­تواند توسط این سیگنال به واحد پردازشی ما وارد‌ شود به چه میزان است و آیا این سطح ولتاژ برای کار ما مناسب است یا خیر؟

در این کتاب ما به صورت پیش­ فرض این سطح بالا را +5 ولت در نظر می­‌گیریم.

لازم به ذکر است که این سطح می­‌تواند در برخی از کاربردها بسیار حیاتی باشد، بنابراین باید همواره این نکته را در نظر داشت که آیا این سطح ولتاژ برای میکروکنترلر به عنوان سطح منطقی ۱ قابل درک است یا خیر، در صورت منفی بودن جواب باید این سیگنال را تقویت کنیم تا این سطح منطقی برای میکروکنترلر قابل درک باشد.

ویژگی دوم(Low-state) :

این ویژگی دقیقا مشابه ویژگی اول است با این تفاوت که این ویژگی بیانگر پایین­‌ترین سطح ولتاژ این سیگنال است. در انتخاب این سیگنال همانند ویژگی اول باید دقت کنیم که این سطح باید آنقدر کم باشد تا بتواند توسط میکروکنترلر به عنوان ۰ منطقی تشخیص داده شود. این­که چگونه بفهمیم کدام سطح برای یک میکروکنترلر به عنوان سطح منطقی ۱ در نظر گرفته می­شود و کدام سطح به عنوان سطح منطقی ۰ به نوع میکروکنترلر ما بستگی دارد و در data sheet مربوط به هر نوع میکروکنترلر این ویژگی بیان شده است. معمولا در میکروکنترلر‌های AVR، ولتاژ ۵ ولت به عنوان سطح منطقی ۱ و ۰ ولت به عنوان سطح منطقی ۰ در نظر گرفته می‌­شود.

ویژگی سوم(Rising edge):

کلمه‌ی Rising edge به معنای لبه­ بالا رونده است و همان­طور که در شکل ۱ می‌بینید این بخش به صورت یک خط کاملا عمودی رسم شده است. در واقع این بخش نمایانگر تغییر سطح منطقی ۰ به ۱ است ولی اگر بخواهیم کمی دقیقتر به این اتفاق نگاه کنیم باید یادآور شویم که این اتفاق مدت زمانی طول می­‌کشد و در واقع شکل A یک Rising edge ایده­‌آل است.

شکل ۲: تاخیر موج مربعی در تغییر سطح ۰ به ۱

در شکل ۲ این تغییر سطح به صورت واقعی نشان داده شده است و همان‌طور که می‌بینید اگر محور افقی را محور زمان و محور عمودی را محور ولتاژ در نظر بگیریم، مدت زمانی طول می­‌کشد که ما از سطح منطقی ۰ به سطح منطقی ۱ برویم و این زمان تحت عنوان نام Rising delay شناخته می­‌شود.

ویژگی چهارم (Falling edge):

این ويژگی همانند ویژگی سوم می­‌باشد و به معنای لبه­‌ی پایین­‌رونده می­‌باشد. در واقع این ویژگی به معنای تغییر سطح منطقی ۱ به سطح منطقی ۰ است، در این ویژگی همانند ویژگی سوم این تغییر سطح به صورت آنی نبوده و کمی تاخیر دارد که به آن Falling delay یا تاخیر افت گویند. حال می­‌توان کمی بهتر در مورد مفهوم واژه­‌ی Clock بحث کرد. اگر تعدادی موج مربعی با نظم خاصی را کنار یکدیگر قرار دهیم می­‌توانیم بگوییم یک سیگنال Clock درست کرده ­ایم.

شکل ۳: چند نوع کلاک مربعی با فرکانس های متفاوت

در شکل ۳ چند نوع موج مربعی را مشاهده می­‌کنید، همان‌طور که می‌­بینید همه‌ی این موج‌­های مربعی سطح ولتاژ بالا و پایین برابری دارند ولی فرکانس آنها با یکدیگر تفاوت دارد و این‌که فرکانس این سیگنال‌ها چقدر و چگونه باشد مساله­‌ای است که توسط ما تعیین می­‌شود.

بحث کلاک در طراحی پردازنده‌ها یکی از اساسی­‌ترین مقوله‌ها است و مهندسین سخت افزار و معماران کامپیوتر همواره در صدد مدیریت هرچه بهتر منابع کلاک برای کاهش توان مصرفی در پردازنده­‌ها هستند.

حال می‌­توانیم کمی در مورد کلاک میکروکنترلر تصویر ذهنی بهتری داشته باشیم اما بحث کلاک داخلی در میکروکنترلرهای AVR مبحثی پیچیده‌­تر از مباحث مطرح شده در این کتاب است و اصولا تعیین کلاک در میکروکنترلرهای AVR تعیین کننده‌ی خیلی چیزها مثل سرعت اجرای دستورات و همچنین فرکانس تولید موج مربعی داخلی و غیره می­‌باشد. در کارکردن با تمام واحد های میکروکنترلر بخصوص واحد Timer-Counter و یا واحد­های ارتباطی مثل Usart و یا I2C هماهنگی کلاک داخلی و کلاک برنامه‌ریزی (Programming) میکروکنترلر بسیار حیاتی و تعیین­ کننده است.

مفهوم Counter :

 در اصطلاح Counter به یک شمارنده اطلاق می­‌شود که می­‌تواند تعداد تغییرات یک بخش خاص را در خود ذخیره کند. این شمارنده در عمل بخشی از یک حافظه است، بنابراین میزانی که می­‌تواند در خود ذخیره کند محدود است. مثلا اگر فرض کنیم به Counter ما یک حافظه­‌ی ۱۰ بیتی اختصاص داده شده باشد که هر بیت تنها می‌تواند اعداد ۰ و ۱ را تنها در خود جای‌دهد، بنابراین در این حافظه­‌ی ۱۰ بیتی ما می‌­توانیم اعداد بین ۰ تا ۱۰۲۳ را ذخیره کنیم. نحوه‌ی محاسبه به این شرح است که اگر یک حافظه‌ی ۱۰ بیتی مثل زیر را در نظر بگیرید هر خانه از حافظه می­‌تواند تنها دو حالت داشته باشد، (یا ۰ باشد یا ۱ ) بنابراین اگر برای تمام خانه ­ها تمام حالات را در هم ضرب کنیم کل حالات می­‌شود برابر ۱۰۲۴ حالت که در واقع تعداد کل حالات است.

حالت اول حالتی است که تمام خانه­ ها ۰ باشند بنابراین عدد دسیمال این عدد باینری (000000000) برابر ۰ خواهد بود، همچنین اگر تمام خانه­‌ها عدد ۱ باشند عدد دسیمال این عدد باینری (1111111111) برابر ۲۵۵ می­‌شود که بزرگترین عددی است که این حافظه‌ی ۱۰ بیتی می­‌تواند در خود جای‌دهد. بنابراین در حالت کلی برای محاسبه بزرگترین و کوچکترین عددی که حافظه‌ی یک Counter می‌تواند در خود جای‌دهد باید از فرمول زیر استفاده کرد:

Max number = (2 N) - 1

Min number = 0

در فرمول بالا N بیانگر تعداد خانه‌های حافظه‌ی یک Counter است. مثلا برای یک Counter با حافظه­‌‌ی ۱۶ بیتی می­‌توان تمام اعداد بین ۰ تا ۶۵۶۳۵ را ذخیره کرد.

ارائه‌ی یک مثال کاربردی:

تا این­جا با مفاهیم ساده ولی اساسی Timer-Counter آشنا شدید، حال می­‌خواهیم کمی عملی‌تر به این قضیه نگاه کنیم. برای این منظور یک کلاک مربعی مانند آنچه در شکل C نشان داده شد را در نظر بگیرید. سئوال اول اینکه اگر فرض کنیم که می­‌خواهیم ببینیم این کلاک مربعی دارای چه فرکانسی است یا اینکه این کلاک مربعی در یک واحد از زمان چند بار از سطح بالا به سطح پایین رفته است باید چه­ کار کنیم؟

سئوال دوم اینکه اصولا دانستن تعداد تغییرات یک موج مربعی می تواند چه کمکی به ما در درک بهتر مولد این موج یا کلاک بکند؟

در پاسخ به سئوال اول باید بگوییم خوشبختانه در واحد Timer-Counter در میکروکنترلرهای AVR چنین خاصیتی تعبیه شده است، در واقع با استفاده از این ویژگی شما می­‌توانید تعداد لبه­‌های بالارونده و یا تعداد کل لبه­‌‌های پایین رونده را بشمارید. در واقع اگر شما بتوانید تعداد کل لبه‌‌های بالا رونده‌ی یک کلاک مربعی را بشمارید می­‌توانید ادعا کنید که تعداد کل تغییرات از بالا به پایین یک کلاک مربعی را دارید، همچنین همین خاصیت در مورد شمارش تعداد لبه‌های پایین رونده نیز صادق است، چرا که در هر مولفه از یک موج مربعی تنها یک لبه­‌ی بالارونده و یک لبه‌ی پایین رونده موجود است.

اما در پاسخ به سئوال دوم ابتدا یک مثال کاربردی در دنیای رباتیک می­زنیم، این مثال در دنیای کنترل موتورها و در نهایت کنترل رباتهایی که با چرخ حرکت می­‌کنند بسیار کاربردی و مفید است، بنابراین توصیه می­‌شود این مثال را با دقت بیشتری مطالعه کنید.

بازخورد یک موتور DC مجهز به انکودر تولید کننده پالس مربعی (DC motor position/speed feed back with pulse encoder):

شکل ۴: یک موتور DC به همراه Encoder تولید کننده پالس مربعی

همان‌طور که در شکل ۴ می­‌بینید یک موتور به همراه یک انکودر مولد موج مربعی نشان داده شده است. اما برای اینکه از عملکرد اصلی این انکودر با خبر شوید بهتر است نگاهی به شکل E بیندازید.

شکل ۵: یک Encoder مولد موج مربعی و پالس تولید شده توسط آن

در شکل ۵ همانطور که می‌بینید یک انکودر از دو بخش تشکیل شده است:

۱. صفحه­ ی سوراخ دار

۲. مولد موج مربعی لیزری

بر روی صفحه‌ی سوراخ دار تعداد بسیار زیادی سوراخ وجود دارد، مثلا این صفحه می‌تواند از ۳۶۰ سوراخ تشکیل شده باشد. همان‌طور که در شکل ۴ می‌بینید این سوراخ‌ها دور تا دور این صفحه قرار گرفته‌­اند و فاصله‌ی تمام این سوراخ‌­ها با هم برابر است.

مولد لیزری نیز با عبور هر سوراخ از مقابل خود یک پالس مربعی تولید می­‌کند، بنابراین چون صفحه‌ی سوراخ دار به شفت موتور وصل است و فرض کردیم از ۳۶۰ سوراخ با فاصله‌ی یکسان تشکیل شده است با عبور هر سوراخ از مقابل مولد در‌واقع گویی موتور ۱ درجه به جلو و یا عقب حرکت کرده است.

حال ما بسیار در گرفتن بازخورد از موتور قدرتمند شده‌ایم! هم می­‌توانیم مسافت طی شده توسط موتور را به دست بیاوریم و هم سرعت حرکت موتور و غیره بنابراین اگر بتوانیم پالس مربعی تولید شده توسط انکودر را بشماریم می‌­توانیم تمام این خاصیت ها را به دست آوریم.

حال اگر فرض کنیم ربات ما دارای یک چرخ به شعاع r است، بنابراین در هر دور چرخش این چرخ، ربات ما به اندازه­‌ی 2πr که همان محیط چرخ است جابجا می­‌شود. حال برای یک جابجایی به اندازه‌­­ی ۳۶۰ درجه ما 2πr جابجا می­‌شویم و در واقع برای یک جابجایی ۱ درجه‌ایی 2πr/360 جابجا می‌­شویم. بنابراین اگر انکودر ما دارای N سوراخ باشد که در واقع نمایان گر تولید N پالس مربعی در هر دور چرخش است، مسافت پیموده شده توسط ربات در ازای هر پالس تولید شده توسط انکودر 2πr/N است.

در ادامه به نحوه‌ی شمارش تعداد پالس­‌های مربعی تولید شده توسط یک منبع تولید کننده‌­ی پالس می­‌پردازیم.