嵌入式計時器以及simulink設計實現

嵌入式計時器簡介

嵌入式計時器是一種在嵌入式系統中用于計時、計數和測量時間間隔的設備。它們通常用于生成精確的延遲、測量輸入信號的頻率或產生PWM信號。嵌入式計時器主要包括硬件計時器（例如定時器/計數器、實時時鐘）和軟件計時器。

嵌入式計時器類型

1. 硬件計時器 ：硬件計時器通常集成在微控制器或處理器中，包括定時器/計數器、實時時鐘（RTC）等。它們可以精確地計算時間間隔，適用于對時間精度要求較高的場景。
1. 軟件計時器 ：軟件計時器是使用軟件代碼實現的計時器，通常通過使用系統時鐘或硬件計時器作為基準。它們相較于硬件計時器在精度上可能略有差距，但便于擴展和靈活控制。

嵌入式計時器應用

1. 延時：嵌入式計時器可以用于產生精確的延遲，例如在執行任務之間的間隔。
1. 計數：計時器可以用于計數操作，例如檢測外部事件發生的次數。
1. 頻率測量 ：計時器可以用于測量外部信號的頻率，例如捕獲輸入信號的上升沿和下降沿。
1. PWM信號生成 ：嵌入式計時器可以用于生成PWM信號，用于控制電機、LED等設備。

示例代碼（以STM32為例）

使用STM32F10x微控制器實現延時功能的示例代碼（ 硬件實現 ）。

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stm32f10x_tim.h"

// 配置TIM2以生成時間基準
void TIM2_Configuration(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

    // 使能TIM2時鐘
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    // 配置TIM2基本參數
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999; // 設置計數器自動重裝值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71; // 設置預分頻
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 使能TIM2
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

void delay_ms(uint16_t ms)
{
    uint16_t i;
    for (i = 0; i < ms; i++)
    {
        TIM_SetCounter(TIM2, 0);
        while (TIM_GetCounter(TIM2) < 1000)
        {
        }
    }
}

int main(void)
{
    // 初始化系統配置
    SystemInit();

    // 配置TIM2以生成時間基準
    TIM2_Configuration();

    while (1)
    {
        // 延時1000毫秒
        delay_ms(1000);

        // ...其他代碼（可以根據需要執行一些動作）...
    }
}

使用STM32F10x微控制器實現延時功能的示例代碼（ 軟件實現 ）。。

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stm32f10x_tim.h"

// 獲取系統時鐘
uint32_t SystemCoreClock;

// 延時微秒
void delay_us(uint32_t us)
{
    uint32_t i, j;
    uint32_t count = (SystemCoreClock / 8000000) * us;

    for (i = 0; i < count; i++)
    {
        for (j = 0; j < 2; j++)
        {
            __NOP(); // No Operation指令，用于延時
        }
    }
}

// 延時毫秒
void delay_ms(uint32_t ms)
{
    uint32_t i;
    for (i = 0; i < ms; i++)
    {
        delay_us(1000);
    }
}

int main(void)
{
    // 初始化系統配置
    SystemInit();

    // 獲取系統時鐘
    SystemCoreClock = SystemCoreClock;

    while (1)
    {
        // 延時1000毫秒
        delay_ms(1000);

        // ...其他代碼（可以根據需要執行一些動作）...
    }
}

使用STM32F10x微控制器的計數器功能的示例代碼（ 硬件實現 ）。

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stm32f10x_tim.h"

void TIM2_Counter_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;

    // 使能TIM2和GPIOA時鐘
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置GPIOA0作為輸入，上拉
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置TIM2基本參數
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 配置TIM2的輸入捕獲
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; // 上升沿捕獲
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0;
    TIM_PWMIConfig(TIM2, &TIM_ICInitStructure);

    // 使能TIM2
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

int main(void)
{
    uint16_t counter_value;

    TIM2_Counter_Config(); // 配置TIM2計數器

    while (1)
    {
        counter_value = TIM_GetCounter(TIM2); // 讀取TIM2計數器的值

        // ...其他代碼（可以根據需要處理計數值）...
    }
}

使用STM32F10x微控制器的計數器功能的示例代碼（ 軟件實現 ）。

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stm32f10x_exti.h"
#include "misc.h"

volatile uint32_t pulseCounter = 0;

void EXTI0_Configuration(void)
{
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 使能GPIOA時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    // 配置GPIOA0作為輸入，上拉
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 使能AFIO時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

    // 配置GPIOA0為外部中斷源
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);

    // 配置EXTI線0
    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

    // 配置NVIC
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x01;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x01;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET)
    {
        pulseCounter++; // 增加脈沖計數值

        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0); // 清除中斷標志位
    }
}

int main(void)
{
    uint32_t counter_value;

    EXTI0_Configuration(); // 配置外部中斷（EXTI）

    while (1)
    {
        counter_value = pulseCounter; // 讀取脈沖計數值

        // ...其他代碼（可以根據需要處理計數值）...
    }
}

使用STM32F10x微控制器生成PWM信號的示例代碼（ 硬件實現 ）。

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stm32f10x_tim.h"

// 配置TIM3以生成PWM信號
void TIM3_PWM_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

    // 使能TIM3和GPIOB時鐘
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // 配置GPIOB5為復用推挽輸出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    // 配置TIM3基本參數
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 19999; // 設置計數器自動重裝值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71; // 設置預分頻
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 配置TIM3通道2的PWM輸出
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 10000; // 初始占空比設置為50%
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);
    TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);

    // 使能TIM3
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

int main(void)
{
    // 配置TIM3以生成PWM信號
    TIM3_PWM_Configuration();

    while (1)
    {
        // ...其他代碼（可以根據需要調整PWM信號的占空比等）...
    }
}

使用STM32F10x微控制器生成PWM信號的示例代碼（ 軟件實現 ）。

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stm32f10x_tim.h"

// 配置TIM2以生成時間基準
void TIM2_Configuration(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

    // 使能TIM2時鐘
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    // 配置TIM2基本參數
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 999; // 設置計數器自動重裝值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71; // 設置預分頻
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 使能TIM2
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

void delay_us(uint16_t us)
{
    uint16_t i;
    for (i = 0; i < us; i++)
    {
        TIM_SetCounter(TIM2, 0);
        while (TIM_GetCounter(TIM2) < 1)
        {
        }
    }
}

// 配置GPIOB5輸出
void GPIOB5_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    // 使能GPIOB時鐘
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // 配置GPIOB5為推挽輸出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

void Software_PWM(uint16_t onTime, uint16_t offTime)
{
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);
    delay_us(onTime);
    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_5);
    delay_us(offTime);
}

int main(void)
{
    uint16_t onTime = 5000;   // 設定PWM信號的占空比時間 (單位：微秒)
    uint16_t offTime = 5000;  // 設定PWM信號的空閑時間 (單位：微秒)

    // 配置TIM2以生成時間基準
    TIM2_Configuration();

    // 配置GPIOB5輸出
    GPIOB5_Configuration();

    while (1)
    {
        // 使用軟件PWM模擬信號輸出
        Software_PWM(onTime, offTime);

        // ...其他代碼（可以根據需要調整PWM信號的占空比等）...
    }
}

硬件實現和軟件實現在嵌入式系統中通常涉及到相同的功能，但它們的實現方式和性能有所不同。以下是硬件實現與軟件實現的主要區別：

1. 資源占用：硬件實現通常利用專用的外設（如定時器、PWM模塊等）來實現功能。這些外設通常能夠在微控制器的內部并行工作，不占用CPU的計算資源。而軟件實現主要依賴于CPU執行代碼，因此會占用更多的CPU資源。
1. 精度和穩定性：硬件實現通常具有更高的精度和穩定性，因為它們是由專門設計的電路實現的，不受CPU負載、中斷等因素的影響。軟件實現的精度和穩定性較低，因為它們受到CPU負載、中斷處理和其他任務的影響。
1. 可配置性和靈活性：硬件實現的功能通常具有較低的可配置性和靈活性，因為它們是由專用的硬件電路實現的，這些電路通常只能在一定范圍內進行配置。軟件實現具有更高的可配置性和靈活性，因為它們是由程序代碼實現的，可以根據需求進行修改。
1. 實現難度：硬件實現通常需要對微控制器的外設有較深入的了解，編程難度相對較高。軟件實現相對簡單，不需要對硬件電路有深入的了解。
1. 開發和維護成本：硬件實現通常具有較高的開發和維護成本，因為它們需要專門的硬件電路和外設。軟件實現的成本較低，因為它們只需要編寫代碼。

說了這么多，其實定時器的本質是一種特殊的計數器，它能夠按照預定的頻率自動遞增（或遞減）計數值。定時器在達到預設的計數值時會觸發事件，例如產生中斷、翻轉輸出引腳狀態等。定時器是微控制器內部的一個硬件模塊，可以獨立于CPU運行，實現精確的時間間隔和事件觸發。

定時器的工作原理如下：

1. 時鐘源：定時器需要一個穩定的時鐘源作為基準，時鐘源可以是內部的系統時鐘，也可以是外部提供的時鐘信號。時鐘源的頻率決定了定時器的最高計數速率。
1. 預分頻器：預分頻器用于降低時鐘源的頻率，從而實現較低的計數速率。預分頻器可以根據需要進行配置。
1. 計數器：計數器是定時器的核心部分，它按照預分頻后的時鐘頻率進行計數。計數器可以配置為向上計數或向下計數。
1. 自動重載值：當計數器達到設定的自動重載值時，定時器會觸發事件，例如產生中斷、翻轉輸出引腳狀態等。此外，計數器會根據配置自動回到初始值，重新開始計數。
1. 輸出比較、捕獲等功能：許多定時器還具有輸出比較、輸入捕獲等功能，用于生成PWM信號、測量外部信號的周期等。

定時器在嵌入式系統中有許多應用，如實現精確延時、周期性任務調度、PWM信號生成、脈沖寬度測量等。定時器提供了一種高精度、低資源占用的時間控制手段，可以有效地支持復雜的嵌入式應用。

Simulink實現

既然定時器的本質是一個累加邏輯，那接下來我們嘗試在simulink中用多種方法實現定時器功能，例如當某個功能觸發時開始計時，功能停止時計時保持不變，當計時累計達到某個設定值時觸發另一個事件執行。（夏季空調內循環制冷，計時20min后開啟30s外循環換氣）

Matlab Function的實現方式

MATLAB Function 模塊可以幫助我們在Simulink 模型中實現MATLAB函數的功能，也可以生成可讀、高效、緊湊的 C代碼，應用于嵌入式系統中。

圖中u2模擬計時器的條件，我們設定為周期為5,占空比為50%的方波信號，t2等于Simulnk模型的仿真步長，x是上一時刻的計時數值。MATLAB Function中的代碼如下：

function y = fcn(u,t,x)

if u == 1

x = x + t;

end

y = x;

配置參數

運行結果

Simulink基礎模塊的實現方式

使用基礎模塊搭建的Simulink模型如下圖，主要借助switch和add來實現。

S****tateflow狀態機的實現方式

計時器功能也可以分為兩個狀態，即累加狀態和保持狀態，所以也可以使用Stateflow來實現。

chart內部如下

Stateflow流程圖的實現方式

在Simulink軟件開發過程中，對于比較簡單的Stateflow邏輯，尤其是條件選擇邏輯，可以使用流程圖代替狀態圖，以簡化邏輯。

chart內部如下

simulink中還有一些和計數相關的模塊如下

1. Counter Free-Running

自由計數器（Counter Free-Running）是一種無限制的計數器，可以無限地遞增或遞減。它通常用于計算脈沖信號的數量、測量時間等。在 Simulink 中，您可以使用Discrete庫中的Counter Free-Running模塊來創建自由計數器。

2. Counter

Conter模塊可以通過指定的數據范圍實現向上計數或向下計數。當選擇Count direction參數為向上計數時，模塊將使能 Inc （增量）端口；當選擇Count direction參數為向下計數時，模塊將使能 Dec （減量）端口。如果Count event參數為Free running，模塊將禁用Inc或Dec端口，并且使用固定時間間隔進行計數。針對于Count event參數的所有其他設定，每當在Inc或Dec輸入端口發生觸發事件時，模塊都會使計數器遞增或遞減。當觸發事件發生在Rst端口時，模塊復位，計數器恢復到初始設定狀態。

3. Counter Limited

限制計數器（Counter Limited）是一種具有上限或下限的計數器。當計數器達到預設的限制值時，它會回到初始值重新開始計數。您可以使用Simulink > Discrete庫中的Counter Limited模塊來創建限制計數器。

讓我們重新回到最開始的例子：夏季空調內循環制冷，計時20min后開啟30s外循環換氣，這個例子包含兩個計時器和兩次事件觸發和狀態切換，我們試著用simulink的基礎模塊實現此功能。

C代碼如下：

#include < stdint.h >
#include < stdbool.h >
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_tim.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"

// Define constants for internal and external circulation times in milliseconds
#define INTERNAL_CIRCULATION_TIME (20 * 60 * 1000) // 20 minutes
#define EXTERNAL_CIRCULATION_TIME (30 * 1000) // 30 seconds

// Function prototypes for internal and external circulation control
void set_internal_circulation();
void set_external_circulation();

// Function prototype for millisecond delay
void delay_ms(uint32_t ms);

int main(void)
{
    uint32_t internal_timer = 0; // Timer to track the time spent in internal circulation mode
    uint32_t external_timer = 0; // Timer to track the time spent in external circulation mode
    bool is_internal_circulation = true; // Flag to indicate whether the current mode is internal circulation

    // Set the initial mode to internal circulation
    set_internal_circulation();

    // Main loop
    while (1)
    {
        delay_ms(1); // 1 millisecond delay

        // If the current mode is internal circulation
        if (is_internal_circulation)
        {
            internal_timer += 1; // Increment the internal timer

            // If the internal timer reaches the predefined internal circulation time
            if (internal_timer >= INTERNAL_CIRCULATION_TIME)
            {
                // Switch to external circulation mode
                set_external_circulation();
                is_internal_circulation = false;
                // Reset the internal timer
                internal_timer = 0;
            }
        }
        else // If the current mode is external circulation
        {
            external_timer += 1; // Increment the external timer

            // If the external timer reaches the predefined external circulation time
            if (external_timer >= EXTERNAL_CIRCULATION_TIME)
            {
                // Switch to internal circulation mode
                set_internal_circulation();
                is_internal_circulation = true;
                // Reset the external timer
                external_timer = 0;
            }
        }
    }

    return 0;
}

// Function to set internal circulation mode
void set_internal_circulation()
{
    // Implement your logic to set internal circulation here
}

// Function to set external circulation mode
void set_external_circulation()
{
    // Implement your logic to set external circulation here
}

// Function to provide a millisecond delay
void delay_ms(uint32_t ms)
{
    // Implement a software delay function here, or use the provided hardware timer delay function
}

simulink模型如下：

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微控制器(163223) 微控制器(163223)
嵌入式系統(133347) 嵌入式系統(133347)
計時器(34986) 計時器(34986)
RTC(71238) RTC(71238)
PWM信號(21054) PWM信號(21054)

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