arduino タイマー 精度 4

November 15, 2020

Why not register and get more from Qiita?  Timerは基本的には正確なタイミングでなんらかのシグナルを送りたい時に必要になるものです。arduinoではdelay()を使って時間の操作が行えますが、delayを使っているとそれが実行されている間に他の操作を行えないという弊害があり、そんな時にTimerを利用することができます。Timerの大まかなイメージとしてはTimerのカウンターが数字を0から「自動的に」カウントアップしていって、ある数値に到達した時に何かをしてもらい、そしてそのカウントしていた数値をまたリセットして(あるいはカウントダウンして)その後もこの動作が繰り返される、というようなものです。, Arduino UnoにはTimer0・Timer1・Timer2の3つのTimerがあります。, Arduino Unoは電源を繋ぐと16MHz(16*10^6Hz)の電気信号を中央の"T16.000"と書いてあるクリスタルから発振します。millis()などの関数も実際にはこの信号を元に作り出されています。Timerのbit数の違いによって、この16MHzの周期を分解する解像度が変わってきます。つまり、8bitの時は16MHzの信号をmax255(8bit = 2^8 = 256->0から255)のステップにして処理し、16bitの時には同じ考え方でmax65535のステップにします。1秒につき16*10^6回の波を送り出しているのを8bitと16bitで制御するので、1秒を1000ミリセカンド(ms)だとすると、それぞれのTimerが一つの周期にかかる時間はそれぞれ以下のようになります。, カウンターの描くグラフはノコギリ波のような形状になります。(ただしこれはカウンターの数値が描くグラフであって、何かこのような形状の電気信号が送られているわけではありません。自分は最初ここら辺のところがごっちゃになっていたので一応書いておきます。。。), これをみるとTimer0とTimer2に関しては構成は一緒でTimer1は比較的多数のレジスタがあることがわかります。ちなみにTCCR0AであればTimer0、TCCR1AであればTimer1、TCCR2AであればTimer2といったように、レジスタの名前にある数字でどのTimerに属するかを知ることができます。ちなみにTimer0とTimer2は8bit、Timer1は16bitのタイマーになります(違いについては上のノコギリのようなグラフを参照してください)。 タイマオシレータicのts3004を使用して1秒毎にledを点灯します。今回のts3004は「3bitの分周値設定」と「rsetピンに任意の外部抵抗1本」を設置する事で周波数(3.3μ秒 ~ 233秒)をお手軽に設定可能です。 - Arduinoでsine波を出す方法。コードもありますが、中〜上級者向けで、初歩的な解説はありません。(英語) ちなみに, すでにこの書き方は最初のほうであげましたが、このようにビット演算を使わずに直接0か1で書くこともできますが、この"0b00000001"と"0bxxxxxx001"は違う意味で、xの部分はなんらの情報も入っていない状態で、0は状態を記入しており、思わぬ動作を避けるためにも、ビット演算で必要な部分のみを書き込むべきです。, ただし、この書き方よりもビットシフトを使った以下の書き方のほうが明示的で個人的にはわかりやすいです。以下のCS12はarduino側で2の数値が当てられており、0を2桁分左にシフトしています。すると、当然の事ながらCS12に0がセットされます。CS11の場合は0を1桁分左にシフトしてCS11に0をセット、CS10の時は1を0桁分左にシフトするので、0桁目に1が入る、つまりCS10に1がセットされるということになります。, _BV()と~_BV()を使う書き方もネット上で散見されます。 この方法のソースはこちらになります。, (日本語ページ) ArduinoのTimerに関する情報がまとまっていなかったのと、自分には複雑だったためかいつまんで重要そうなところだけまとめてみます。今後も加筆・修正していく予定です。後学のためにも間違いがありましたらご指摘いただけると幸いです。またこの記事において"arduino"は全てArduino Unoを指します。, 個人的にはATtiny85(Arduinoの超小型化版のようなもの。詳しくは->ArduinoユーザーのためのATTiny入門)で(擬似的な)サイン波を出すために必要でした。Arduinoではtone()やfor文を使って矩形波で音を出すことは可能ですが、サイン波など矩形波以外の信号を手軽に出すにはMozziなど外部のライブラリが必要でした。 "となると書かれていますが、, ビット演算のANDとOR 1個目の引数でレジスタを指定して、2個目に変えたい項目を書きます。 実際に使ってみて思ったことですが、例えば特定の周波数のPWMを出したい、と思った時に16MHzは動かしようがないので、計算式の256(8bit)の部分を512(9bit)や1024(10bit)などモードを変えて変更する、あるいは分周波(prescaler)を1から8、256などに変更できますが、これではあまりに正確さに欠け、自分の望みの周波数はほぼ逆算できません。。256(8bit)のところを完全に数値指定できるモードはないか、、と思っていたところありました。Fast PWMのICR1をTOPにするMode14です。(Mode 15のFast PWM modeでも可能です!!!この場合はOCR1Aの値がTOPになるので、この値を調節することでPWMの周波数を変えられます), とすると、仮に分周波を64として、16MHz/(200*64) = 1250Hzというようにより自由に周波数を出力することができます。以下のような計算式が成り立ちます。, この動画の最後の方で全く同じ方法を試していますが、最高で8MHzのPWMを出力できるようです。自分はオシロスコープを持っていないので確かめられませんが。。, Phase Correct PWMも基本的な考え方はFast PWMと同じです。がここではカウンターがTOPに行ってから0にリセットされるのではなく、0に向かってカウントダウンしていきます。やはりnone-inverting modeとinverting modeがあり、カウンターの数値とOC1RA/OC1RBを比較してカウンターが小さい時にHIGHなのがnone-inverting modeで、その逆がinverting modeです。, 以下の510は256(8bit)を2倍にしてひとまず512、山なりに数値がおりていくので頂点で1bit分(255から255ではなく254になるので)、一番降りきったところで1bit分(0から0ではなく1になるので)、合わせて2bit分なくなっているからだと思います。, とすると、止めることができます。データシートによるとTCCR1BのCS12、CS11、CS10が0の時"No clock source (Timer/Counter stopped). Arduinoプログラムの高速化( Qiita ) Pulsein関数の周波数の測定結果を100ms毎と1000msごとの二パターンをシリアルで出力したいと思っています。 このような場合、以下のように記述しようと思いますが、なにか誤りや改善点はありますか?コンパイルはできましたがすぐに机上試験できず質問させていただきました。 volatile u – ESP32 English Forum, M5StickCでGROVEのアナログ出力をBluetoothSerialで飛ばす. Timer1を使用しています。, これは最初にTCCR1AとTCCR1Bを初期化して、TCCR1BのCS10とTIMSK1のTOIE1を1に変えています。TOIE1を1にするとカウンターがTOPにきた時(この例では16bitのTimer1を使っているので65535になった時)に割り込み処理を行います。この処理の中身はISR内に記入してあって、TOPになった時に何ミリ秒たったかをシリアルモニターに表示します。Normal modeはデフォルトのモードなのでレジスタを変更しなくても自動的にNormal modeになります。一番最初の方で紹介しましたが、16bitのTimer1では一回の周期が4.096msだったのでほぼ4ずつ数値が上がっていくのがわかるかと思います。そして、CS10についてですが、これは分周波(prescaler)を指定するものです。("<<"はC言語のビットシフトを表します。この計算方法については後ほど解説します。), CS10を1にする操作とは分周波を1にすることです(No prescaling)。この分周波とは16MHzの信号をその数値で割ってカウンターのTopに至るタイミングを遅くしたりできるのですが、これは実際に数値を変えてみるとよくわかります。例えば、CS10の行を消して以下のように書き直すと、, これはCS12を1にして分周波が256になったということです。数値のアップデートが遅くなっているのがわかります。1047という数値が出てきたかと思いますが、これは以下のような計算式で求めることができます。, 計算式としては1048.576ですがほぼ近似値が出ているのがわかります。では、カウンターの周期を1秒ちょうどで割り込みさせてみたいと思います。上の計算式から16bitの部分が62356ではなく62500となった時に1秒ちょうどになることが導けます。カウンターの値はTCNT1に指定することができるので、62356-62500=3036をカウンターの初期値として入れ、割り込むと同時にまたカウンターの初期値を毎回3036に変えています。, ではCTCモードをみていきます。Modeの表にある通り、CTCモードの時TOPはOCR1Aの値になります。このOCR1Aは先ほどのTCNT1のように直接数値を書き込むことができます。また同時にCTCモードではOCR1Bというcompare matchをもう一つ使ってOCR1AとOCR1B2つの割り込みを与えることができます。カウンターTCNT1がOCR1AあるいはOCR1Bの値とマッチした時に割り込みます(OCR -> Output Compare Register)。TIMSK1のOCE1AとOCIE1Bを1にすることでそれらの割り込みの許可を与えることができます。以下は1秒周期(OCR1A)とそこから0.5秒ずれた1秒周期(OCR1B)とで割り込み処理を行なっています。, Normal modeでもOCR1AとOCR1Bで割り込むことができますが、Normal Modeの場合TOPの値はTimerのbit数に依存し、Timer1なら65535、Timer0と2なら255でこの値は変えられません。一方でCTCの場合はTOPはOCR1Aで指定した値になり、そこでカウンターは0にリセットされます。つまり、Normal modeでは割り込みの頻度(周波数と表現していのかわからないので…)は変えられませんが、CTCでは変えることができます。イメージとして言うと、ノコギリみたいなカウンターの描く三角形の大きさがCTCだといくらでも小さくできて、リセットのタイミングを速められます。, Fast PWMでduty比を調整してPWMを送ることができます。また名前からもわかる通り、通常のdigitalWriteでは出せないような高い周波数のPWMを生成することも可能です。ここでレジスタTCCR1AのCOM1A1, COM1A0, COM1B1, COM1B0を操作して"non-inverting mode"か"inverting mode"かを選びます。non-invertingの時はOCR1A(OCR1B)とカウンターの値を比べた時に、カウンターの値の方が数値が小さい時にOC1A(OC1B)をHIGHに(データシートではHIGHになることをset、LOWになることをclearと表現しています)、大きい時にはLOWにします。"inverting mode"ではこれの真逆です。これは図を見ると一目瞭然だと思います。, イメージ内にも書いてありますが、PWMの周波数は以下のように求められます。bit数やprescalerはModeによって変更可能なので自分の好きな周波数を設定することができます。ちなみに以下の公式はnone-inverting, invertingどちらのモードでも同じ公式です。, !!周波数計算についての追記!! 「Skill Builder: Advanced Arduino Sound Synthesis」, 「Electronic Basics #30: Microcontroller (Arduino) Timers」, Arduino Basics 103: Library, Port Manipulation, Bit Math, Faster PWM/ADC, TCCR0A, TCCR0B, TCNT0, OCR0A, OCR0B, TIMSK0, TIFR0, TCCR1A, TCCR1B, TCCR1C, TCNT1H, TCNT1L, OCR1AH, OCR1AL, OCR1BH, OCR1BL, ICR1H, ICR1L, TIMSK1, TIFR1, TCCR2A, TCCR2B, TCNT2, OCR2A, OCR2B, TIMSK2, TIFR2, ArduinoのTimerに関する導入的な解説動画です。電子工作に関する親切な解説動画をよくあげているドイツのyoutuberさんです。(英語), ArduinoのTimerに関する網羅的な解説動画です。長いですが詳細に解説してくれています。(英語), you can read useful information later efficiently. By following users and tags, you can catch up information on technical fields that you are interested in as a whole, By "stocking" the articles you like, you can search right away. - PINの図解 + PORT + レジスタへの基本的な代入方法の説明があります。 Help us understand the problem. それは設定可能なタイマーの分解能を有しているため、より多くの柔軟性を提供しています。」 らしい、 "MsTimer2"は、ARDUINO MEGA/Arduino Leonardo等では利用出来なかったが "FlexiTimer2"では対応 … 概要 Arduino環境ではTickerクラスを利用したタイマーと、より高精度の割り込みを利用したタイマー処理があり、割り込みを利用したタイマー処理を調べてみました。 タイマーの概要 ESP32には4つのタイマーがあり、自由に利用することができます。 _BV()は中身を1に、~_BV()は0にします。, sbi(), cbi()というのもあります。 What is going on with this article? ArduinoでTimerを使った割込み処理を、ライブラリを使わないで行う方法をメモ書きしておきます。概要 割込みにもいろいろ種類(方法)がありますが、今回はTimerを使った時間割込みを行ってみます。例えば、「1秒ごと」に「LEDを点滅 Arduinoで遊ぶページ Arduinoでなんらかの時間的に正確な処理をしたい時、Arduinoのタイマーライブラリを利用すると簡単に出来る。ArduinoのタイマーライブラリはMsTimer2とTimerOneがあり、これらのライブラリを利用すると、一定時間ごとに関数を「割り込み(interrupt)」で呼び出す、ということがさくっと出来る。 短押しすると、タイマー餌やりモードが解除されます。 ※解除するまで、設定した時間経過で繰り返し動作します。 4.コード. ArduinoでTimerを使った割込み処理を、ライブラリを使わないで行う方法をメモ書きしておきます。, 割込みにもいろいろ種類(方法)がありますが、今回はTimerを使った時間割込みを行ってみます。例えば、「1秒ごと」に「LEDを点滅」といったような処理です。, ある時間間隔(タイミング)で何かしらの処理を行います。普通にメインループの中で時間操作すれば処理できることもあるのですが、どうしても無駄時間発生するなど、いろいろ弊害がでることもあります。, 割込み処理では、処理発生のタイミングをTimerまかせにできるため、その間はほかの処理ができたり、かなり正確なタイミングを計ることができたり、と利点があります。, Timerを使用した割込み処理をおおざっぱに言うと、Timer(Arduino)が自動でステップカウントします。決められた数値までカウントされたら、関数が呼び出され処理します。と同時にカウントをリセットしてまた自動でカウント・・・。といった具合です。メインループで処理がされていても割り込んで関数が呼び出されます。処理する内容はその関数に記述するといった感じです。, レジスタ操作で割込み設定をするのですが今回の例のように単純な時間割込みだけならそれほど手順は多くないです。, ArduinoUNO(ATmega328/328P)にはTimerが3つ準備されてます。3つのTimerは以下のような構成です。, このような感じでArduinoでは時間に関する関数やPWMピンにTimerが既に使用されています。ですのでレジスタ触るときは既存の関数(特に時間関係の関数に)には何かしら影響がでるかも、と注意したほうがいいでしょう。, bit数はカウンタのMax値です。8bitでは0~255、16bitでは0~65535までカウントできます。, で今回は試しにTimer2を使用する前提でレジスタ(割込み方法)の使い方を見てみます。, 先ほど説明したようにTimerを使用した時間割込みの手順はそれほど多くないです。順を追ってみていきます。, まずはモードの選択です。Timer2の割込みモードに関しては「TCCRA2」「TCCRB2」の二つのレジスタでモード選択とカウント速度を設定することができます。, 単純な一定時間間隔の割込み処理であればmode2のCTCモードに設定します。ですので「TCCRA2」レジスタの「WGM21」bitのみを「1」にします。, などと記述すれば 「TCCRA2」レジスタ の「WMG21」ビットを「1」にできます。後者の表現が分かり易いためなのか?よく見かけますね。, CTCモードはカウンタの上限値(カウント数値)が直接指定できるため、時間割込みするときにはこのモードが便利です。なのでこれに設定しておけば問題ないかと・・。他のモードについてはまた機会があれば説明したいと思います。, 分周比の設定です。Timerでカウントしていくのですが、そのカウント速度(1カウントする時間間隔)の設定です。, 分周無しの場合、Arduinoのクロック周波数は16MHzのため、1カウントは1/16MHz=0.0625μsとなります。, 例えば分周比「8」とした場合は1カウントが1/(16MHz/8)=0.5μsとなります。, 分周比は「TCCR2B」レジスタの「CS20~CS22」ビットの組合わせで設定します。, 最後にいくつまでカウントしたら割込み処理を発生させるかを設定します。例えば「100」カウントで割込み発生させるならば「OCR2A」レジスタに直接数字を入れるだけです。, これだけで完了です。これで100カウント毎に割込み関数が呼び出されます。Timer2は8bitなので0~255までの数字しか指定できないので注意です・・。, となります。これでTimer割込みの設定は完了です。最初の2行は念のためレジスタをリセットしてます。基本この内容は1度実行するだけなので、setup()内に記述すればO.K。上記の設定例であれば100カウント(50μs)毎に関数が呼び出されます。, Timerを使用した時間割込みの設定はこれで完了です。説明の多さの割には記述は少ないです・・。で最後に割込み時の処理を記述します。, こうすれば50μs毎に、UNOであればオンボードのLEDが点滅します。早すぎて点灯してるようにしか見えませんが・・・・・。, ピンポイントにしぼった内容ですが、一定時間間隔で割込みを行うだけでよければこれだけで0.kです。Timer0やTimer2を使用する場合も基本的なことは同じです。ほかより詳しことはデータシートを参照して下さい。, Arduinoは結構前から触っていたのですが、なぜか今まで割込み処理をする機会がありませんでした。今回割込みを処理を行う必要があっていろいろ調べたのですが、Arduino(IDE)特有の便利関数(といっていいのか・・、)がTimer割込みに関してはほとんど準備されていない??調べてもあまり情報が出てこなかったです。, ライブラリもいくつかありましたが(自分には)ちょっと微妙な感じでだったので今回は直接レジスタ操作て割込み処理を行ってみたということです。, 以下はTimer1を使用して0.5秒置きにUnoのオンボードLED(13pin)を点滅するスケッチです。. - ArduinoのTimerライブラリの紹介があります。Arduinoのタイマーライブラリ, (英語ページ) 例えばTCCR0Aという一つのレジスタは8bitの数値で構成されているので、, という風に書いたとすると、1桁目の"WGM00"が"1"になっている状態となります。このレジスタの書き込み方については色々なやり方があるので後ほどまた説明します(実は上の書き方はベストではないのですが、わかりやすいためこう書いています。これでも機能します)。ちなみにこのようなTCCR0Aといったレジスタはデフォルトで定義されているものなので、当然のことながら変数宣言などいらず、上のようにarduinoのIDEに直接書けます。では組み合わせによってどのような機能を持ち得るか、代表的なものとしてModeというものがあります。, Modeを変更することによってカウンターを制御する方法を変えます。Timerは大まかにいうと4つのモードをもっています。, Normal modeとCTC(Clear Timer on Compare Match) modeはInterruput(割り込み処理)するためのもので、ある周期でなんらかの動作をさせたい時に使用し、Fast PWMとPWM Phase CorrectはPWMを生成するためのもので、カウンター+自分で指定した値の組み合わせからデューティー比、周波数を定義して電気信号を取り出したい時に使用します。割り込み処理をするタイミングはFlagを送るタイミングであり、これはISR()というすでにデフォルトで定義された関数を使って、そのフラグがきたタイミングにやってほしいことを自由に指定することができます。ちなみにarduinoはデフォルトでは割り込み処理が有効になっていますが、noInterrupts()を使って割り込み処理をプログラムの一部分で無効化することも可能です。それではそれらを踏まえた上で下がModeの構成表になります。, まずはWGM02とWGM01、WGM00に着目してください。これらの組み合わせがモードを決定していることがわかります。それぞれ0か1かしか数値を取らないので、2^3で8パターンのModeを選ぶことができます(とはいえmode4と6は"Reserved"になってるので実質は6パターンですが)。Timer/Counter Mode of OperationがModeの名前になり、Topとはカウンターの頂点がどのような数値になるかです。例えば"0xFF"であれば16進数で256なので、255がMax値になり、"OCRA(Output Compare Register A)"であればOCR0Aの値を定義してその値にカウンターが到達した時をTOPにして数値がリセットしますよ、ということです。例えばOCR0Aが200で"TOP"がOCR0Aなら、255に到達する前に200でカウンターは0にリセットされます(そしてまたカウントが繰り返されます)。Update of OCR0x atとありますが、これはOCR0AとOCR0Bの値をアップデートするタイミングを"Immediate"、つまりそのOCR0xの値にカウンターが到達した時にリセットするか、あるいは"TOP"とするとそのカウンターの頂点の時に、"BOTTOM"とすると信号の0の時にOCR0xがリセットされます。TOPとBOTTOMってタイミングほぼ一緒じゃないかと思われるかもしれませんが(というか自分は最初思いました)、ノコギリのように右上がりのカウントだけでなく、上がってまた下がっていく(カウントアップしてカウントダウンしていく)ような山のようなカウントの仕方も"PWM, Phase Correct Mode"ならできるので、TOPとBOTTOMでは意味が異なります。ちなみにOCR0xについては図を交えて後ほどまた説明します。TOV Flag Set onは、あるタイミングの時にフラグを送る、つまり今行動をおこしなさいという信号を送ります(Interrupt, いわゆる割り込み処理です)。"MAX"、"BOTTOM"、"TOP"はそのフラグを送るタイミングです。"MAX"は255にカウンターが到達した時で、"BOTTOM"はカウンターが0になった時、"TOP"はそのカウンターの周期の中で一番高い数値に到達した時です。これはOCR0Aに定義した値に依存します。, ここまでTimer0を例にとって話を進めてきましたが、実はTimer0が使われることはほとんどありません。。というのもTimer0はdelay()やmillis()、micros()などの機能を担っており、もっといってしまうとTimer0を使おうとするとエラーが出て書き込めません。。Timer0は先ほど挙げた時間を制御する機能を担っているので使えないということなのだと思いますが、ちょっとこの点については謎です。。ちなみにTimer1とTimer2では書き込めないといったことは起こりません(Timer2を使うとtone()は使えなくなりますが)。ただしTimer0とTimer2の構成はほぼ一緒なのと、Timer1でもビット数が16bitに変わるだけで基本的な考え方は全く同じです。, 上の図はTimer1のModeの構成表になります。WGMx0, WGMx1, WGMx2だけでなく、WGM13というものが増え、モードの数が増えたことがわかります。新しい情報もあるのですが、基本的なことはTimer0のモードと同じなので、ここではそこには触れずに具体例をあげてそれぞれのモードについて解説していきます。, まず以下のようなプログラムをarduinoに書き込んでください。

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