Zähler

Basis des Timersystems ist ein 16-Bit-Zähler mit programmierbarem Vorteiler.

Die beiden Vorteiler werden durch die Bits PR0/PR1 im Register TMSK2 und RTR0/RTR1im Register PACTL programmiert.Nach einem RESET steht hier jeweils ein Wert von 0, so daß die höchste Taktrateausgewählt ist. Diese beiden Bits können nur direkt nach einem RESETverändert werden, danach ist jeder weitere Zugriff gesperrt. Diese besondereEigenschaft des Mikroprozessors 68HC11 verhindert ungewollte Veränderungen an derTimer-Auflösung durch unzulässige Zugriffe, die während des Betriebs durch Stöhrimpulse von außen ausgelöst werden könnten.

TOF	timer overflow flag	Wird gesetzt, wenn der frei laufende 16-Bit-Zähler von FFFF auf 0 wechselt (Zählerüberlauf). Wird zurückgesetzt durch Schreiben einer 1 in TOF.
TOI	timer overflow interrupt enable	Interruptfreigabe für "Timer Overflow Interrupt", 0 = Interrupt gesperrt, 1 = Interrupt freigegeben.
RTIF	real time interrupt flag	Wird gesetzt, wenn der Realtime-Interrupt-Zähler auf 0 wechselt (Zählerüberlauf). Wird zurückgesetzt durch Schreiben einer 1 in RTIF.
RTII	real time interrupt enable	Interruptfreigabe für "Realtime Interrupt", 0 = Interrupt gesperrt, 1 = Interrupt freigegeben.

Der Timer

Nach einem Reset der CPU ist der Zählerstand des Timers 0. Es gibt keine Möglichkeit, den Zählerstand des Timers auf einen bestimmten Wert zu setzen. Direkt nach dem Reset beginnt der Timer aufwärts zu zählen. Bei jedem Überlauf von $FFFF auf $0000 wird das Überlauf-Bit TOF (Timer Overflow) im Register TFLG2 gesetzt, um diesen Zustand anzuzeigen. Die Anwendersoftware kann so auf einfache Weise eine Kaskadierung des Timers auf beliebige Wortlänge durchführen, da dieses Bit auch einen Interrupt auslösen kann.

Für die meisten Anwendungsfälle ist es sinnvoll, die längste zu messende Zeit zu bestimmen und dann den Vorteiler so zu definieren, daß innerhalb dieser Zeit kein Timer-Oberlauf auftreten kann. Alle Zeitpunktberechnungen können dann mit einfacher 16-Bit-Arithmetik durchgeführt werden. Man darf nicht übersehen, daß das Timer-System mit 16 Bit auflöst, der Fehler bezogen auf eine Periode ist 1/65536 entsprechend 0,0015 %. Diese Genauigkeit ist für fast alle Anwendungen ausreichend. Erhöht man die Taktrate des Timer-Systems und arbeitet mit höherer Auflösung, dann addieren sich Software-Reaktionszeiten, was häufig zu wesentlich größeren Fehlern führen.

Bei jedem Überlauf des Timers von $FFFF auf $0000 wird das Überlauf-Bit (TOF = Timer Overflow Flag) im TFLG2-Register gesetzt. Das TOF-Bit muß vom Anwenderprogramm gezielt wieder gelöscht werden. Wird das Auslösen eines Interrupts bei jedem Timer-Oberlauf gewünscht, dann kann das zum TOF-Bit korrespondierende TOI-Bit (Timer Overflow Interrupt) im TFLG2-Register auf 1 gesetzt werden.

Real-Time-Interrupt

Beispiel: Uhrentakt mittels RTI
(Quelle: Wallrabe: Mikrocontrollerpraxis, Hanser Verlag)
Dazu gehen wir von der kürzesten Grundperiode 4,096 ms aus, da sie die feinste Stufung erlaubt. Als Anfangsstand des Zählers wählen wir 244. Die so erzeugte Periode dauert somit 244 - 4,096 ins = 999,424 ms. An der genauen Sekunde fehlen 0,576 ms, ein Fehler, der toleriert werden kann. Nach diesen Vorgaben ist das folgende Beispiel aufgebaut, das, vom Anfangswert 244 ausgehend, nach jedem RTI-Interrupt die Variable RTIZaehl herunterzählt und bei Erreichen von 0 einen Sekunden-, Minuten- und Stundenzähler hochzählt.
Die Zeitwerte sollen natürlich dezimal und nicht binär (hexadezimal) ausgegeben werden. Daher wird nach jedem Inkrementieren eines Zählers dessen Wert mit dem Befehl DAA sofort in einen BCD-Wert umgewandelt und auch so abgespeichert.
Voraussetzung ist, daß im Hauptprogramm folgende RAM-Variablen vorab definiert und initialisiert worden sind:

RTIZaehl = Adresse des RTI-Zählers SekZaehl = Adresse des Sekunden-Zählers MinZaehl = Adresse des Minuten-Zählers StdZaehl = Adresse des Stunden-Zählers Sek_alt = Zwischenspeicher

                                       UHR      DEC  RTIZaehl     RTI-Zähler dekrementieren.    
                                       	     BNE  UHR_ENDE
                                                LDAA #244         Wenn RTI-Zähler = 0:          
                                       	     STAA RTIZaehl     Neu mit Ausgangswert laden. 
                                       	     LDAA <SekZaehl    Nach 1 Sekunde:               
                                       	     INCA              Sekundenzähler hochzählen,  
                                       	     DAA               in BCD-Zahl wandeln.        
                                       	     STAA <SekZaehl
                                       	     CMPA #$60
                                                BNE  UHR_ENDE
                                       	     CLRB              Nach 60 Sekunden:           
                                       	     STAB <SekZaehl    Sekundenzähler auf 0 setzen, 
                                       	     LDAA <MinZaehl    Minutenzähler hochzählen, 
                                       	     INCA
                                       	     DAA
                                       	     STAA <MinZaehl
                                       	     CMPA #$60
                                                BNE  UHR_ENDE     Nach 60 Minuten:         
                                       	     STAB <MinZaehl    Minutenzähler auf 0 setzen, 
                                       	     LDAA <StdZaehl    Stundenzähler hochzählen, 
                                       	     INCA
                                       	     DAA
                                       	     STAA <StdZaehl
                                       	     CMPA #$24
                                       	     BNE UHR_ENDE      Nach 24 Stunden:       
                                       	     STAB <StdZaehl       Stundenzähler auf 0. 
                                       UHR_ENDE LDAA #$40         Rücksetzen des RTI-Flags.     
                                       	     STAA TFLG2
                                       	     RTI
                                       

                                       VECRTI   equ  $FFEB       Real Time Interrupt
                                       TMSK2    equ  $1024       Timer Interrupt Mask Reg.2
                                       SCSR     equ  $102e       SCI Status Reg.
                                       SCDR     equ  $102f       SCI Data Reg.
                                       
                                                BSR  INIT_SCI    Schnittstelle Init, siehe 26.html
                                                LDD  #UHR
                                                STD  VECRTI      ...RTI-Serviceroutine "UHR".       
                                                LDAA #$40        RTI-Interrupt freigeben.           
                                                STAA TMSK2       (4,096 ms ungeaendert wie Vorgabe). 
                                                LDAA #244        RTI-Zaehler                         
                                                STAA <RTIZaehl   auf Ausgangswert setzen.           
                                                CLRB             Ebenso...                          
                                                STAB <SekZaehl   ...Sekunden-Zaehler       
                                                STAB <Sek_alt    ...Sekunden-Vergleichszaehler
                                                STAB <MinZaehl   ...Minuten-Zaehler
                                                STAB <StdZaehl   ...Stunden-Zaehler
                                                CLI              Interrupts aktivieren    
                                       
                                       
                                       UhrStart LDAA <SekZaehl   Warten, bis Sekunde einen neuen... 
                                                CMPA <Sek_alt   
                                                BEQ  UhrStart    ...Wert hat.                        
                                                STAA <Sek_alt    Neuen Wert in Vergleichszaehler
                                                LDAA <StdZaehl   Stunden ausgeben          
                                                JSR  Hex_Tx
                                                LDAA #":"        Trennzeichen ":" ausgeben
                                                JSR  Byte_Tx
                                                LDAA <MinZaehl   Minuten ausgeben                  
                                                JSR  Hex_Tx
                                                LDAA #":"
                                                JSR  Byte_Tx
                                                LDAA <SekZaehl   Sekunden ausgeben           
                                                JSR  Hex_Tx
                                                LDAA #$0D        Carriage Return ausgeben
                                                JSR  Byte_Tx
                                                BRA  UhrStart
                                       
                                       * Ausgabe eines Bytes hexadezimal ueber die serielle Schnittstelle
                                       * Das zu sendende Byte muî im Akku A vorliegen.
                                       Hex_Tx  PSHA             Zu sendendes Byte retten.          
                                               ANDA #$F0        Hw.-Nibble abtrennen               
                                               LSRA             und 4 Stellen nach rechts schieben,
                                               LSRA             dabei Nullen nachziehen.           
                                               LSRA
                                               LSRA
                                               CMPA #9          0 bis 9 oder A bis F ?             
                                               BHI  Buchst1
                                       Ziff1   ADDA #"0"        0 bis 9.                           
                                               JSR  Byte_Tx     Zum Sender.                        
                                               BRA  Nibble2
                                       Buchst1 ADDA #"A"        A bis F.                           
                                               JSR  Byte_Tx
                                       Nibble2 PULA             Byte wieder holen.                 
                                               ANDA #$0F        Nw.-Nibble abtrennen.              
                                               CMPA #9
                                               BHI  Buchst2
                                       Ziff2   ADDA #"0"
                                               JSR  Byte_Tx
                                               RTS
                                       Buchst2 ADDA #"A"
                                               JSR  Byte_Tx
                                               RTS
                                       
                                       * Ausgabe eines Bytes ueber die serielle Schnittstelle
                                       * Das zu sendende Byte muî im Akku A vorliegen.
                                       Byte_Tx LDAB SCSR     Statusregister TDRE abfragen, ob leer.
                                               ANDB #$80
                                               BEQ  Byte_Tx  Abfrage wiederholen, wenn nicht.      
                                               STAA SCDR     Byte ausgeben.                        
                                               RTS           
                                       

Der Zählerstand kann von drei Input-Capture-Registern zur exakten Bestimmung des Zeitpunktes einer extern erkannten Flanke und von fünf Output-Compare-Registern zur Erzeugung exakter Impulse und Kurvenformen ausgewertet werden.

• Input Capture: Der Zählerstand des freilaufenden 16-Bit-Zählers wird als Echtzeitreferenz betrachtet, jede von der entsprechend programmierten Prozessorhardware erkannte Flanke eines extemen Signals speichert den aktuellen Stand dieses Zählers und damit den genauen Zeitpunkt in einem der Input-Capture-Register. Auf diese Weise ist es möglich, aus zwei aufeinanderfolgenden Impulsflanken eines Signals die Periodendauer als Differenz der Zeitpunkte zu bestimmen. Impulsbreiten können durch Verändern der aktiven Flanke nach Eintreten des ersten Ereignisses bestimmt werden.
  Jede einzelne Input-Capture-Funktion beinhaltet ein 16-Bit-Latch, in dem der Zeitpunkt eines Ereignisses festgehalten werden kann. Die notwendige Synchronisation zwischen asynchronem externen Ereignis und internem E-Takt wird von der Prozessor-Hardware unsichtbar für den Anwender vorgenommen. Der hierdurch entstehende Fehler ist klein gegen die Timer-Auflösung.
  Der Transfer des Timer-Inhalts in eines der Input-Capture-Register erfolgt bei der nichtzählenden Flanke des Timer-Signals, so daß ein sicherer Wert auf jeden Fall garantiert werden kann. Die Hardware zur Übertragung das Timer-Inhaltes ist für jedes Input-Capture-Register getrennt vorhanden, so daß es erlaubt ist, alle drei Input-Capture-Eingänge gleichzeitig zu triggern. Das Auslesen eines der Input-Capture-Register T1C1 bis T1C3 muß mit einem 116-Bit-Zugriff erfolgen, da nur so gewährleistet ist, daß die beiden Bytes des Ergebnisses wirklich zusammengehören. Wird der Inhalt eines der Input-Capture-Register nicht gelesen und tritt dann ein weiteres Ereignis ein, so wird der alte Wert überschrieben. Der Inhalt dieser Register repräsentiert also immer das letzte aufgetretene Ereignis. Je ein Bit im TMSK1- und TFLG1-Register sind als Schnittstelle zum Anwenderprogramm vorgesehen.
  Die Bits IC1F bis IC3F werden vom Mikroprozessor gesetzt, wenn einer der drei Input-Capture-Kanäle ein Ereignis registriert. Die zugehörigen Bits IC1I bis IC3I sind jeweils zur Freigabe eines Interrupts als Reaktion vorgesehen und müssen vom Anwenderprogramm definiert werden.
  Jeder der drei Kanäle kann auf verschiedene Flanken programmiert werden. Dazu sind im Register TCTL2 jeweils 2 Bit pro Capture-Kanal vorgesehen:

  EDGxB	EDGxA	Aktivierte Flanke
  0	0	Keine, Kanal ausgeschaltet
  0	1	Ansteigende Flanke
  1	0	Abfallende Flanke
  1	1	Beide Flanken

• Output Compare: Jedes der fünf Output-Compare-Register wird laufend mit dem Zählerstand des freilaufenden Zählers verglichen. Bei Übereinstimmung wird dann exakt in diesem Moment die programmierte Reaktion ausgelöst, zum Beispiel die Ausgabe eines bestimmten Signals an einem Port. Auf diese Weise ist es möglich, ein Ausgangssignal mit der Genauigkeit und Auflösung des Timer-Systems zu einem gewünschten Zeitpunkt zu erzeugen, ohne dabei Fehler durch Software-Reaktionszeiten oder auch Verzögerungen durch Interrupt-Antwortzeiten zu haben.
  Insgesamt sind fünf Output-Compare-Funktionen vorhanden, die jeweils ein 16-Bit-Vergleichsregister besitzen. Der Registerinhalt wird ständig mit dem Zählerstand verglichen. Bei Übereinstimmung wird das vorprogrammierte Ereignis ausgelöst. Auch hier ist je ein Bit im TMSK1- und TFLG1-Register als Schnittstelle zum Anwenderprogramm vorgesehen. Das jeweiling OCxF-Bit wird gesetzt, wenn Register und Zähler übereinstimmen. Mit den zugehörigen OCxI-Bit kann der Interrupt gesperrt oder freigegeben werden.
  Für die Kanäle 2 bis 5 kann im TCTL1-Register festgelegt werden, was mit dem zugehörigen Pin beim Eintreten eines Ereignisses geschehen soll:

  OMx	OLx	Reaktion
  0	0	Keine
  0	1	Polarität ändern (toggle)
  1	0	auf 0 setzen
  1	1	auf 1 setzen

  Mit dem Output Compare Register 1 kann man alle OC-Pins gleichzeitig manipulieren. Der OC-Pn 1 hat dabei Priorität über die anderen. Der OC1-Funktion sind zwei spezielle Register zugeordnet, OC1M und OC1D. Die Bits 3 bis 7 dieser Register entsprechen direkt den Leitungen von Port A, auf denen die OC-Werte ausgegeben werden. Für jede Leitung von Port A, die durch die OC-Funktion beinflußt werden soll, muß das entsprechende Bit in OC1M auf 1 gesetzt werden. Das Bitmuster für die Ausgabe wird dann in OC1D eingetragen. Auf diese Weise lassen sich fünf Pins exakt zeitgleich mit einem einzigen Output-Compare-Register beeinflussen.

Pulse-Akkumulator

• Damit das Pulse-Akkumulator-System überhaupt arbeiten kann, muß der externe Pin 7 von Port A als Eingang konfiguriert werden. Hierzu muß das Bit DDRA7 im PACTL-Register auf 0 gesetzt werden.
• Das Bit PAEN dieses Registers schaltet den Pulse-Akkumulator generell ein und aus, wobei der Zählerstand nach dem Ausschalten des Systems weiter erhalten bleibt und ausgewertet werden kann.
• Das Bit PAMOD definiert die Betriebsart des Zählers: eine O macht ihn zum Ereigniszähler, eine 1 wählt die Zeitmessung.
• PEDGE erlaubt die Wahl der aktiven Flanke. Eine 0 läßt den Zähler auf abfallende Flanken reagieren, in der Betriebsart Zeitzähler stoppt ein Low-Signal die Messung, eine 1 in PEDGE wählt die ansteigende Flanke und ein High-Signal als Sperre für die Betriebsart Zeitzähler.

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