带ATiny的时间测量仪(共7页)

1、带 ATiny 的时间(shjin)/间隔(jin g)测量仪 作者(zuzh)：Vladimir Mitrovic, Croatia 本项目要说明的是，用很少的硬件就能做一 个多功能时间和间隔测量表，还带易于读数 的 LCD 显示器的。 一种 ATtiny2313 型号的 AVR 微控制器可以测量输入针脚 PD2 和 PD3 的脉冲的两个连续逻辑电平转换之间的时间间 隔。在微秒级，测量时间间隔的范围为 10 微 秒到 30 分钟，测量精度为 1 微秒。 在毫 秒级，测量时间间隔的范围为 1 毫秒到 4 小 时，测量精度为 1 毫秒。 在电路中，DIP 开关组 S2 决定了仪器的设 置，具体如

2、下： S2 1-8: 选择脉冲边沿（上升或下降）开始测量。 S2 2-7: 选择脉冲边沿（上升或下降）结束测量。 S2 3-6: 测量单位和精度（微秒或毫秒） S2 4-5: 测量模式（连续或单次/保持） 开关组功能和选项的详细说明 见表1。 测量结果显示在一个 LC 显示屏上，分两行显 示共 16 个字符。 第一行显示所选的时间间 隔、测量单位和测量模式，第二行显示测量结 果（时间）。 表 1 S2 1-8 S2 2-7 S2 3-6 S2 4-5 标准时间间隔 关 关 x x 从下降边沿到下一个下降边沿。 关 开 x x 从下降沿到上升沿（2 个正脉冲的时间间隔）。 开 关 x x 从上升

3、沿到下降沿（正脉冲持续时间）。 开 开 x x 从上升沿到下一个上升沿。 x x 开 x 测量单位为 s (t(min)=10s, t(max)=1800s (30m)。 x x 关 x 测量单位为 ms (t(min)=1ms, t(max)=14400s (4h)。 x x x 关 连续测量：当一次测量已结束且其结果已显示时， 开始新的一次测量 x x x 开 单次测量：当一次测量结束其结果显示时，程序停止。 (x = 无关项) 元件列表 电阻器 R1,R3 = 10k R2 = 1k R4 = 39 R5 = 1k8 P1 = 10k 预设 电容器 C1 = 22F 35V radial

4、 C2,C3,C6 = 100nF C4 = 47pF 微调 C5 = 22pF 半导体 D1 = 1N4001 D2,D3 = BAT41 D4 = 低电流 LED IC1 = 78L05 IC2 = ATtiny2313, Elektor Shop # 080876-41 其他 S1 = 触觉开关，6mm 尺寸 S2 = 4 路 DIP 开关 K1,K2 = PCB 安装端子，引脚间距 5mm (0.2“) K3 = 10 路方形针座 X1 = 8MHz 石英晶体 LCD1 = LCD 模块，2 行，16 字符 LCD 针座 16 路 1 行 0.1 间距 LCD 插座条 16 路 1 行

5、 0.1 间距 PCB， 参考 080876-I LED D4 在测量(cling)期间会亮灯，而在两次测量的 间隔(jin g)以及 Hold 期内则熄灭(xmi)。 其主要目的是， 在较长的测量期内指示测量正在进行中。 当然你也，可以略去 LED 和 R5。 在微秒级，ATtiny2313 内的 8位 计时器/计数 器 0 设置为普通模式，比较匹配输出 B 处在开动状态，计时器计算预分频 的系统同步脉冲发生器脉冲。 由于使用了一个 8MHz 石英晶体 且分频器的除数设定为 8 ，计时器/计数器 0 的值每 微秒增加 1。 输出比较寄 存器 B 设定为 255，每到 第 256 个脉冲时会触

6、发输出 比较针脚 (OC0D) 。OC0D 针脚内在地与计时器/计数器 1 的输入端相连，而计时器/计 数器 1 计算 OC0D 上收到的 这些脉冲，计算精度为 16 位， 如此我们便制作了一个 25 位的 硬件计数器（16 位 T/C1+OC0D 位 +8 位 T/C0）。 软件能实现额外的 6 位精度，在测量过程 中，程序循环运行，等待停止测量信号，且不 断收集计时器/计数器 1 的溢位旗标 TOV1。 如果设定了 TOV1 的值，则程序将 6 位 SW 计数器的值增加 1，并且清除 TOV1。 这 里不用中断，因为中断可能会延迟识别停 止状态。 一个 31 位的计数器可以计算高达 2,1

7、47,483,647 微秒。 出于实用的考虑，微秒级最大测量(cling)时间定为 1,800,000,000 微秒（30 分钟）。 毫秒级也 是通过大致相同的方式(fngsh)实现，除了将系统时钟 的分频(fn pn)系数设定为 8 外。 在测量后，把结果 除以 125，得出最大值 17,179,869 毫秒。 同 样出于实用的考虑，毫秒级最大测量时间定为 14,400,000 毫秒（4 小时）。 当 ATtiny 的针脚 PD2（ 触发斜率取决于 S2 1-8 的 设置）识别到一个下降或 上升边沿时，测量开始， 同时执行外部中断向量 INT0。 当针脚 PD3（ 触发斜率取决于 S2 2-

8、7 的设置）识别到一个下 降或上升边沿时，测 量停止，同时执行外 部中断向量 INT1。 为该项目编写的程序可以从1免费下载。 程 序是用 BascomAVR 编写的，内嵌有中断汇 编码并插入了对计时关键的程序。 在主循环 内，程序一直监视 S2 中的开关，启动测量并 显示测量结果。 与之前的读数相比，开关的 设置一发生变化，新的测量级别、模式和/或 开始/停止斜率就将被确定，显示屏上的第一 行显示内容将会相应地更新。 在量测例行程序的开头，计时器/计数器以及 软件计数器（对 26-31 位）被清零，OC0B 位 被重置，且外部中断 INT0 启动。之后程序 循环运行，等待 INT0 中断发生

9、，触发 INT0 中断程序。在该程序中，计时器/计数器 0 启 动，一些计数器被设置成初始值，LED D3 亮 灯，INT0 中断被关闭避免再次触发，而 INT1 中断被开启。程序继续循环运行，等待 INT1 中断发生，INT1 发生将触发 INT1 中断程序。 在该程序中，计时器/计数器 0 被停止，且往 后的外部中断被关闭。 程序开始时，计时器/计数器 1 被启动，并且 在程序运行过程中无需停止和重新启动；因为 它计算来自计时器/计数器 0 的脉冲，因此它 将与计时器/计数器 0 同时开始和停止。 当测量程序探测到两个外部中断都被关闭时， 一次测量即告完成。测量结果从硬件 (HW) 和软件

10、 (SW) 寄存器收集得来，LED D3 被关 闭，进行一些计算后测得的时间间隔显示在显 示器的下一行（第二行）。 至于精确度，计数器的硬件部分计算时钟脉 冲，因此不可能有错误计数。 软件部分计算 计时器/计数器 1 溢位，会有几个周期数的延 迟。 但是，当计时器被停止时，HW 部分能 实现与硬件部分同步。 INT0 与 INT1 中断程 序是精心编写的，从程序开始到计时器/计数 器 0 在一个程序开始、在另一个程序停止这段 时间内，延迟是完全相同的。 在外部中断被 触发到中断程序开始启动这段时间内，会有短 时间的延迟。 这段延迟的长短取决于中断被 触发时正在被执行的指令。 指令在 1-4 同

11、步 脉冲发生器周期内执行，因此差异最大可达 3 个同步脉冲发生器周期。 但是，由于计时器/ 计数器 0 计算的系统时钟要除以 8，一次在两 个级别（微秒和毫秒）的最终计数仅产生一个 1 的误差。 因此，对总体精度有显著影响的 唯一因素就是晶体精度 - 考虑当您在显示屏上 看到 t=123456789 s 的情形。 第二个需要(xyo)考虑的是测量时间，在毫秒级，测 量时间(shjin)可能持续几个小时。 因此(ync)一个特别的 SW 计数器在等待循环中（在测量期内有两个 等待循环；等待开始信号和等待停止信号）被 启动。 该计数器可能计算到预先设定的测量 时间的最大值，在这种情况下，计数器停止

12、继 续测量，并显示 t14400000。 起初，测 量时间的最大值被设定为允许的最大值，即微 秒级为 30 分钟，毫秒级为 4 小时。 与其他开关一样，测量开始前，读取 S2 4-5。 但是，如果该开关被关闭（并且单次/保持模 式被激活）则程序以另一种方式运行： 在等待开始信号时，测量时间最大值计数器被 阻止，但在等待停止信号时（在等待一次非重 复的脉冲发生时，允许无限时等待时间，尽 管脉冲持续时间仍被限制在测量时间最大值之 内），它被再次开启。 当测量结果显示在显示屏上时，程序在循环中 等待，通常监视 S2 4-5，一旦打开开关，会立 即继续运行。 供应给该项目的 TmeterElektor

13、.bas 程序应 在第一次使用前写入 ATtiny2313 微控制器。 必须确保为外部晶体谐振器 (CKSEL31,0 = 1111) 的Flash 熔丝位 CKSEL3.0 设一个合 适的值，因为默认选择的是内部 RC 振荡器。 晶体的频率必须刚好等于 8,000 MHz，这非常 重要，因为这决定了总体精度。 使用一个微 调电容器 C4 用来微调晶体频率。 如果您对 晶体的频率很满意，则用一个固定电容器代 替 C4。 您也可以用一个精确的石英振荡器来 驱动微控制器；此时可不用 C4、C5 以及 X1 ，而把振荡器的输出端连接到 XTAL1 的输入 端。 调节 P1 以获得最佳的显示对比度。

14、在程序中，起初测量时间的最大值被设定为 常数： Const Tmax_us_default = 1800 max measuring time for us range s Const Tmax_ms_default = 14400 max measuring time for ms range s 推荐使用(shyng)上面所列的值作为测量时间最大值， 当然用户(yngh)可以用适当的比较小的值来代替这些 推荐值，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 这样就会把测量时间的最大值缩短到 60 微秒 （微秒级的情况下）和 300 秒（毫秒级的情 况下）。 当然，改变这些最大值之后需要重 新编写程序并把改写的程序重新写入微控制 器。 选择测量时间的最佳最大值非常重要， 因为如果输入电平不变时（或者，如果电平跃 迁发生过于缓慢时，程序将等待长达两倍的测 量时间最大值），程序循环运行并等待，等待 的时间等于测量时间最大值。 改变测量时间最大值的另一个方法是在微控 制器的 EEPROM 中把合适的值编成 16 位无 符号的二进制值，参见表 2。 这些值应以秒 为单位。 程

16、序的原理如下： 如果 EEPROM 为空 (FFh)，则使用程序中预 先设定的测量时间最大值。 如果微秒级的 EEPROM 的值大于 1800，则 使用程序中为微秒级预设的测量时间最大值。 如果毫秒级的 EEPROM 的值大于 14400，则 使用程序中为毫秒级预设的测量时间最大值。 任何在允许范围内的 EEPROM 值将被使用， 这种情况下就不是用程序中为该测量级别预设 的测量时间最大值。 表 2 EEPROM 数值 EEPROM 评价 000 0000 LSB 最大微秒级测量时间 s 000 0001 MSB 000 0010 LSB 最大毫秒级测量时间 s 000 0011 MSB 在主程序循环开始时，将读取配置开关组。 长时间的测量可能会造成混淆，因为在正在进 行的测量未结束且测量结果未显示出来之前， 显示屏上显示的是旧的设置以及前一次的测量 结果。 您只要在新的开关设置之后立即重新 设置微控制器，即可加快这个过程。 如要重 新设置微控制器，按重设按键。 在单次/保持模式下，您可以按下述方法开始 新的测量： 开启(kiq) S2 4-5 以重新启动持续(chx)测量模式或重新 设置(shzh)微控制器以重新启动单次/保持模式（用 这种方法，您无法通过快速打