Arduino 系列：Arduino Due 系列 (基于 ATSAM3X8E)_（8）.定时器与中断

定时器与中断

定时器和中断是嵌入式系统中非常重要的概念，它们在Arduino Due中也有广泛的应用。定时器用于精确控制时间间隔，而中断则用于在特定事件发生时中断当前的程序执行，转而执行特定的中断服务例程（ISR）。本节将详细介绍Arduino Due中的定时器和中断的原理和使用方法，并通过具体的代码示例来说明它们的应用。

定时器

定时器的工作原理

定时器是一种硬件模块，用于产生精确的时间间隔。Arduino Due基于ATSAM3X8E微控制器，提供了多个定时器模块。这些定时器可以用于各种定时任务，例如生成定时脉冲、控制LED闪烁、实现延时功能等。

ATSAM3X8E中的定时器主要分为以下几种：

定时器的配置

在Arduino Due中，使用定时器通常需要以下步骤：

1. 选择定时器模块：根据任务需求选择合适的定时器模块。

2. 配置定时器模式：设置定时器的工作模式，例如波形生成模式、捕获模式等。

3. 设置定时器时钟源：选择定时器的时钟源，可以是内部时钟或外部时钟。

4. 设置定时器周期：计算并设置定时器的周期，使其在特定的时间间隔内产生中断。

5. 启用定时器中断：配置中断并启用定时器中断。

6. 编写中断服务例程：定义中断发生时执行的代码。

代码示例：使用TC定时器生成1秒中断

下面是一个使用TC定时器生成1秒中断的示例代码。我们将使用TC0定时器来实现这个功能。

// 定义定时器通道

#define TC_CHANNEL 0



// 定义定时器时钟源频率

#define TC_CLOCK_SOURCE 48000000 // 48 MHz



// 定义定时器周期（1秒）

#define TC_PERIOD 1000000 // 1秒 = 1000000微秒



// 定义定时器中断服务例程

void TC0_Handler() {

  // 清除中断标志

  TC_GetStatus(TC3, TC_CHANNEL);

  

  // 执行中断处理代码

  static uint32_t count = 0;

  count++;

  Serial.print("中断次数: ");

  Serial.println(count);

}



void setup() {

  // 初始化串口

  Serial.begin(115200);

  

  // 配置TC0定时器

  pmc_set_writeprotect(false); // 取消写保护

  pmc_enable_periph_clk(ID_TC3); // 启用TC3时钟



  // 选择波形生成模式

  TcChannel *tcChannel = TC_ChannelPtr(TC3, TC_CHANNEL);

  TC_Configure(tcChannel, TC_CMR_WAVE | TC_CMR_WAVSEL_UP | TC_CMR_TCCLKS_TIMER_CLOCK1);

  

  // 设置定时器周期

  uint32_t prescaler = 2; // 预分频器

  uint32_t period = TC_PERIOD * prescaler * (TC_CLOCK_SOURCE / 8);

  TC_SetRC(tcChannel, period);

  

  // 启用中断

  TC_EnableIt(tcChannel, TC_IER_CPCS);

  NVIC_EnableIRQ(TC3_IRQn); // 启用中断

  NVIC_SetPriority(TC3_IRQn, 0); // 设置中断优先级

  

  // 启动定时器

  TC_Start(tcChannel);

}



void loop() {

  // 主程序

  // 在这里可以执行其他任务

}

代码解释

1. 定义定时器通道和时钟源频率：

2. TC_CHANNEL：选择TC0定时器的通道。

3. TC_CLOCK_SOURCE：定时器的时钟源频率，为48 MHz。

4. TC_PERIOD：设置定时器周期为1秒，即1000000微秒。

5. 定义中断服务例程：

6. TC0_Handler：这是一个中断服务例程，当定时器产生中断时，会调用这个函数。

7. TC_GetStatus(TC3, TC_CHANNEL)：清除定时器的中断标志，确保中断可以再次触发。

8. count：静态变量，用于记录中断次数。

9. 初始化串口：

10. Serial.begin(115200)：初始化串口通信，波特率为115200。

11. 配置TC0定时器：

12. pmc_set_writeprotect(false)：取消写保护，允许对定时器寄存器进行写操作。

13. pmc_enable_periph_clk(ID_TC3)：启用TC3定时器的时钟。

14. TC_Configure：配置定时器的工作模式，选择波形生成模式（TC_CMR_WAVE）、上升沿波形（TC_CMR_WAVSEL_UP）和时钟源（TC_CMR_TCCLKS_TIMER_CLOCK1）。

15. 设置定时器周期：

16. prescaler：预分频器，设置为2。

17. period：计算定时器周期，单位为计数器时钟周期。

18. TC_SetRC：设置定时器的周期。

19. 启用中断：

20. TC_EnableIt：启用定时器的中断。

21. NVIC_EnableIRQ：启用定时器中断。

22. NVIC_SetPriority：设置中断的优先级。

23. 启动定时器：

24. TC_Start：启动定时器。

中断

中断的工作原理

中断是一种机制，当特定事件发生时（例如定时器溢出、外部输入信号变化等），中断请求会被发送到处理器，处理器会暂停当前的程序执行，转而执行中断服务例程（ISR）。中断处理完成后，处理器会返回到被中断的任务继续执行。

在Arduino Due中，中断可以分为以下几类：

中断的配置

在Arduino Due中，配置中断通常需要以下步骤：

1. 启用中断：使用NVIC_EnableIRQ函数启用特定的中断。

2. 设置中断优先级：使用NVIC_SetPriority函数设置中断的优先级。

3. 编写中断服务例程：定义中断发生时执行的代码。

4. 注册中断服务例程：在setup函数中注册中断服务例程。

代码示例：使用外部中断检测按钮状态

下面是一个使用外部中断检测按钮状态的示例代码。我们将使用外部中断0来检测按钮的按下事件。

// 定义按钮引脚

#define BUTTON_PIN 2



// 定义中断服务例程

void extInterrupt0() {

  static uint32_t count = 0;

  count++;

  Serial.print("按钮按下次数: ");

  Serial.println(count);

}



void setup() {

  // 初始化串口

  Serial.begin(115200);

  

  // 配置按钮引脚

  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);

  

  // 启用外部中断

  attachInterrupt(BUTTON_PIN, extInterrupt0, FALLING);

  

  // 设置中断优先级

  NVIC_SetPriority(EXTINT_IRQn, 0);

}



void loop() {

  // 主程序

  // 在这里可以执行其他任务

}

代码解释

1. 定义按钮引脚：

2. BUTTON_PIN：定义按钮连接的引脚，这里选择引脚2。

3. 定义中断服务例程：

4. extInterrupt0：这是一个中断服务例程，当按钮按下时，会调用这个函数。

5. count：静态变量，用于记录按钮按下的次数。

6. 初始化串口：

7. Serial.begin(115200)：初始化串口通信，波特率为115200。

8. 配置按钮引脚：

9. pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP)：将引脚2配置为输入模式，并启用内部上拉电阻。

10. 启用外部中断：

11. attachInterrupt(BUTTON_PIN, extInterrupt0, FALLING)：将引脚2的下降沿中断（按钮按下）与extInterrupt0中断服务例程关联。

12. NVIC_SetPriority(EXTINT_IRQn, 0)：设置外部中断的优先级。

13. 主程序：

14. loop：主程序中可以执行其他任务，中断服务例程会在按钮按下时被调用。

定时器和中断的综合应用

综合应用示例：使用定时器和中断控制LED闪烁

下面是一个使用定时器和中断控制LED闪烁的综合示例代码。我们将使用TC定时器生成1秒中断，并在中断服务例程中切换LED的状态。

// 定义LED引脚

#define LED_PIN 13



// 定义定时器通道

#define TC_CHANNEL 0



// 定义定时器时钟源频率

#define TC_CLOCK_SOURCE 48000000 // 48 MHz



// 定义定时器周期（500毫秒）

#define TC_PERIOD 500000 // 500毫秒 = 500000微秒



// 定义定时器中断服务例程

void TC0_Handler() {

  // 清除中断标志

  TC_GetStatus(TC3, TC_CHANNEL);

  

  // 切换LED状态

  digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_PIN));

}



void setup() {

  // 初始化串口

  Serial.begin(115200);

  

  // 配置LED引脚

  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

  digitalWrite(LED_PIN, LOW);

  

  // 配置TC0定时器

  pmc_set_writeprotect(false); // 取消写保护

  pmc_enable_periph_clk(ID_TC3); // 启用TC3时钟



  // 选择波形生成模式

  TcChannel *tcChannel = TC_ChannelPtr(TC3, TC_CHANNEL);

  TC_Configure(tcChannel, TC_CMR_WAVE | TC_CMR_WAVSEL_UP | TC_CMR_TCCLKS_TIMER_CLOCK1);

  

  // 设置定时器周期

  uint32_t prescaler = 2; // 预分频器

  uint32_t period = TC_PERIOD * prescaler * (TC_CLOCK_SOURCE / 8);

  TC_SetRC(tcChannel, period);

  

  // 启用中断

  TC_EnableIt(tcChannel, TC_IER_CPCS);

  NVIC_EnableIRQ(TC3_IRQn); // 启用中断

  NVIC_SetPriority(TC3_IRQn, 0); // 设置中断优先级

  

  // 启动定时器

  TC_Start(tcChannel);

}



void loop() {

  // 主程序

  // 在这里可以执行其他任务

}

代码解释

1. 定义LED引脚：

2. LED_PIN：定义LED连接的引脚，这里选择引脚13。

3. 定义定时器通道和时钟源频率：

4. TC_CHANNEL：选择TC0定时器的通道。

5. TC_CLOCK_SOURCE：定时器的时钟源频率，为48 MHz。

6. TC_PERIOD：设置定时器周期为500毫秒，即500000微秒。

7. 定义中断服务例程：

8. TC0_Handler：这是一个中断服务例程，当定时器产生中断时，会调用这个函数。

9. digitalWrite(LED_PIN, !digitalRead(LED_PIN))：切换LED的状态。

10. 初始化串口：

11. Serial.begin(115200)：初始化串口通信，波特率为115200。

12. 配置LED引脚：

13. pinMode(LED_PIN, OUTPUT)：将引脚13配置为输出模式。

14. digitalWrite(LED_PIN, LOW)：初始状态将LED关闭。

15. 配置TC0定时器：

16. pmc_set_writeprotect(false)：取消写保护，允许对定时器寄存器进行写操作。

17. pmc_enable_periph_clk(ID_TC3)：启用TC3定时器的时钟。

18. TC_Configure：配置定时器的工作模式，选择波形生成模式（TC_CMR_WAVE）、上升沿波形（TC_CMR_WAVSEL_UP）和时钟源（TC_CMR_TCCLKS_TIMER_CLOCK1）。

19. 设置定时器周期：

20. prescaler：预分频器，设置为2。

21. period：计算定时器周期，单位为计数器时钟周期。

22. TC_SetRC：设置定时器的周期。

23. 启用中断：

24. TC_EnableIt：启用定时器的中断。

25. NVIC_EnableIRQ：启用定时器中断。

26. NVIC_SetPriority：设置中断的优先级。

27. 启动定时器：

28. TC_Start：启动定时器。

通过上述代码，Arduino Due会在每500毫秒产生一次中断，并在中断服务例程中切换LED的状态，从而实现LED的闪烁效果。

定时器和中断的高级应用

高级应用示例：使用多个定时器实现多任务调度

在某些应用场景中，可能需要使用多个定时器来实现多任务调度。下面是一个使用两个定时器（TC0和TC1）分别控制两个LED闪烁的示例代码。

// 定义LED引脚

#define LED1_PIN 13

#define LED2_PIN 12



// 定义定时器通道

#define TC_CHANNEL0 0

#define TC_CHANNEL1 1



// 定义定时器时钟源频率

#define TC_CLOCK_SOURCE 48000000 // 48 MHz



// 定义定时器周期

#define TC_PERIOD1 500000 // 500毫秒 = 500000微秒

#define TC_PERIOD2 1000000 // 1000毫秒 = 1000000微秒



// 定义定时器0中断服务例程

void TC0_Handler() {

  // 清除中断标志

  TC_GetStatus(TC3, TC_CHANNEL0);

  

  // 切换LED1状态

  digitalWrite(LED1_PIN, !digitalRead(LED1_PIN));

}



// 定义定时器1中断服务例程

void TC1_Handler() {

  // 清除中断标志

  TC_GetStatus(TC3, TC_CHANNEL1);

  

  // 切换LED2状态

  digitalWrite(LED2_PIN, !digitalRead(LED2_PIN));

}



void setup() {

  // 初始化串口

  Serial.begin(115200);

  

  // 配置LED引脚

  pinMode(LED1_PIN, OUTPUT);

  pinMode(LED2_PIN, OUTPUT);

  digitalWrite(LED1_PIN, LOW);

  digitalWrite(LED2_PIN, LOW);

  

  // 配置TC0定时器

  pmc_set_writeprotect(false); // 取消写保护

  pmc_enable_periph_clk(ID_TC3); // 启用TC3时钟



  // 选择波形生成模式

  TcChannel *tcChannel0 = TC_ChannelPtr(TC3, TC_CHANNEL0);

  TC_Configure(tcChannel0, TC_CMR_WAVE | TC_CMR_WAVSEL_UP | TC_CMR_TCCLKS_TIMER_CLOCK1);

  

  // 设置定时器周期

  uint32_t prescaler = 2; // 预分频器

  uint32_t period1 = TC_PERIOD1 * prescaler * (TC_CLOCK_SOURCE / 8);

  TC_SetRC(tcChannel0, period1);

  

  // 启用中断

  TC_EnableIt(tcChannel0, TC_IER_CPCS);

  NVIC_EnableIRQ(TC3_IRQn); // 启用中断

  NVIC_SetPriority(TC3_IRQn, 0); // 设置中断优先级



  // 配置TC1定时器

  TcChannel *tcChannel1 = TC_ChannelPtr(TC3, TC_CHANNEL1);

  TC_Configure(tcChannel1, TC_CMR_WAVE | TC_CMR_WAVSEL_UP | TC_CMR_TCCLKS_TIMER_CLOCK1);

  

  // 设置定时器周期

  uint32_t period2 = TC_PERIOD2 * prescaler * (TC_CLOCK_SOURCE / 8);

  TC_SetRC(tcChannel1, period2);

  

  // 启用中断

  TC_EnableIt(tcChannel1, TC_IER_CPCS);

  NVIC_EnableIRQ(TC4_IRQn); // 启用中断

  NVIC_SetPriority(TC4_IRQn, 1); // 设置中断优先级



  // 启动定时器

  TC_Start(tcChannel0);

  TC_Start(tcChannel1);

}



void loop() {

  // 主程序

  // 在这里可以执行其他任务

}

代码解释

1. 定义LED引脚：

2. LED1_PIN：定义LED1连接的引脚，这里选择引脚13。

3. LED2_PIN：定义LED2连接的引脚，这里选择引脚12。

4. 定义定时器通道和时钟源频率：

5. TC_CHANNEL0：选择TC0定时器的通道。

6. TC_CHANNEL1：选择TC1定时器的通道。

7. TC_CLOCK_SOURCE：定时器的时钟源频率，为48 MHz。

8. TC_PERIOD1：设置定时器0的周期为500毫秒，即500000微秒。

9. TC_PERIOD2：设置定时器1的周期为1秒，即1000000微秒。

10. 定义定时器中断服务例程：

11. TC0_Handler：这是一个中断服务例程，当定时器0产生中断时，会调用这个函数。在这个函数中，我们切换LED1的状态。

12. TC1_Handler：这是另一个中断服务例程，当定时器1产生中断时，会调用这个函数。在这个函数中，我们切换LED2的状态。

13. 初始化串口：

14. Serial.begin(115200)：初始化串口通信，波特率为115200。

15. 配置LED引脚：

16. pinMode(LED1_PIN, OUTPUT)：将引脚13配置为输出模式。

17. pinMode(LED2_PIN, OUTPUT)：将引脚12配置为输出模式。

18. digitalWrite(LED1_PIN, LOW)：初始状态将LED1关闭。

19. digitalWrite(LED2_PIN, LOW)：初始状态将LED2关闭。

20. 配置TC0定时器：

21. pmc_set_writeprotect(false)：取消写保护，允许对定时器寄存器进行写操作。

22. pmc_enable_periph_clk(ID_TC3)：启用TC3定时器的时钟。

23. TC_Configure(tcChannel0, TC_CMR_WAVE | TC_CMR_WAVSEL_UP | TC_CMR_TCCLKS_TIMER_CLOCK1)：配置定时器的工作模式，选择波形生成模式（TC_CMR_WAVE）、上升沿波形（TC_CMR_WAVSEL_UP）和时钟源（TC_CMR_TCCLKS_TIMER_CLOCK1）。

24. prescaler：预分频器，设置为2。

25. period1：计算定时器0的周期，单位为计数器时钟周期。

26. TC_SetRC(tcChannel0, period1)：设置定时器0的周期。

27. TC_EnableIt(tcChannel0, TC_IER_CPCS)：启用定时器0的中断。

28. NVIC_EnableIRQ(TC3_IRQn)：启用定时器3的中断。

29. NVIC_SetPriority(TC3_IRQn, 0)：设置定时器3中断的优先级。

30. TC_Start(tcChannel0)：启动定时器0。

31. 配置TC1定时器：

32. TC_Configure(tcChannel1, TC_CMR_WAVE | TC_CMR_WAVSEL_UP | TC_CMR_TCCLKS_TIMER_CLOCK1)：配置定时器的工作模式，选择波形生成模式（TC_CMR_WAVE）、上升沿波形（TC_CMR_WAVSEL_UP）和时钟源（TC_CMR_TCCLKS_TIMER_CLOCK1）。

33. period2：计算定时器1的周期，单位为计数器时钟周期。

34. TC_SetRC(tcChannel1, period2)：设置定时器1的周期。

35. TC_EnableIt(tcChannel1, TC_IER_CPCS)：启用定时器1的中断。

36. NVIC_EnableIRQ(TC4_IRQn)：启用定时器4的中断。

37. NVIC_SetPriority(TC4_IRQn, 1)：设置定时器4中断的优先级。

38. TC_Start(tcChannel1)：启动定时器1。

39. 主程序：

40. loop：主程序中可以执行其他任务，中断服务例程会在定时器中断发生时被调用。

通过上述代码，Arduino Due会在每500毫秒和1秒分别产生一次中断，并在对应的中断服务例程中切换两个LED的状态，从而实现两个LED的闪烁效果。

总结

定时器和中断是嵌入式系统中非常重要的概念，它们在Arduino Due中也有广泛的应用。通过配置和使用定时器，可以实现精确的时间控制和延时功能。通过配置和使用中断，可以在特定事件发生时快速响应并执行相应的处理代码。本节通过具体的代码示例，详细介绍了如何在Arduino Due中使用定时器和中断，希望能够帮助读者更好地理解和应用这些概念。

进一步学习

通过不断学习和实践，读者可以掌握更多关于定时器和中断的高级应用技巧，进一步提升嵌入式系统的开发能力。

作者：kkchenkx