基于嵌入式系统的定时器装置及定时方法

摘要

本发明公开了一种基于嵌入式系统的定时器装置和定时方法，其中该装置包括：定时器、请求定时模块、时间数据处理模块和定时器休眠模块，请求定时模块用于接收控制系统的定时请求，根据该请求创建定时请求信号，并向时间数据处理模块发送定时请求信号；时间数据处理模块，用于接收请求定时模块发来的定时请求信号，读取定时器的当前定时参数，然后根据时间差值算法对定时器的定时时长进行实时检测判断，定时器休眠模块用于接收时间数据处理模块发来的定时结束信号，根据该信号清除相应的定时请求信号，为下一次定时请求做初始化准备。本发明定时时间灵活性强、使用简单方便，实现了工业控制系统中延时、定时多重性和多样性的要求，且定时精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于嵌入式系统的定时器装置及定时方法，具体 阐述了嵌入式系统控制器的定时器装置的设计方法及应用层定时器 算法。

背景技术

随着工业自动控制技术的规模化发展，控制过程中多任务、多层 次的复杂控制要求向各工业控制系统提出了新的挑战。要使系统稳定、 可靠地运行，控制内容常常要求控制系统延时或定时向外设发出各种 不同的控制信号，以满足不同时序、不同功能的控制要求。因此，需 要控制系统具有多个相互独立而又标准相同的定时器来实现控制功 能。

嵌入式系统集成了输入输出口、RS232和485通信串口，是一款 功能丰富的一体控制器(以下简称控制器)。其硬件系统结构精简、内 核小、成本低、灵活方便且实时性高，已逐渐发展成为嵌入式系统开 发研究中的主流部件。然后，控制器有可供用户使用的相互独立的定 时器，例如timer0～4,除此之外，若控制系统还要求实现其他更多 的延时、定时功能，则多是通过使用for函数进行一定次数的空循环 来达到延时、定时效果，这种方式不但定时时间难以精确判定，而且 在延时时间未结束时，CPU始终停留在延时功能程序段内，不会扫描 其他程序段内容，可见，这种定时方式不仅占用了大量系统内存，还 拖慢了CPU处理事件的时间进程。然而，由于硬件资源的限制，不可 能为每一个定时应用单独配置一个硬件定时器。这种有限的定时器个 数和日益复杂的自动控制要求之间的矛盾，无疑成了控制器在嵌入式 开发领域中发展的绊脚石。为了解决这个问题，本文提出一种基于嵌 入式系统的定时器的设计方法，基于ADS编译器在单个硬件定时器的 基础上创建多个定时器，以实现在硬件资源有限的情况下满足多点同 时定时的控制要求。

发明内容

本发明涉及一种基于嵌入式系统的软件定时器设计，针对工业控 制过程中经常需要在不同之处同时使用定时功能，而嵌入式系统中有 的相互独立的定时器，例如timer0～4,提出一种基于嵌入式系统的软 件定时器的设计方法。

本发明公开了一种基于嵌入式系统的定时器设计方法，包括定时 启动、运行、停止三个阶段，分别对应软件定时系统的请求定时模块、 数据处理模块和定时器休眠模块。三个阶段分别由不同的API函数 完成。

一种基于嵌入式系统的定时器装置，包括：定时器、请求定时模 块、时间数据处理模块和定时器休眠模块，其中：

请求定时模块用于接收控制系统的定时请求，根据该请求创建定 时请求信号，并向时间数据处理模块发送定时请求信号；

时间数据处理模块，用于接收请求定时模块发来的定时请求信号， 读取定时器的当前定时参数，然后根据时间差值算法对定时器的定时 时长进行实时检测判断，当定时时长达到预定定时时长时，创建定时 结束信号，并将其传递给控制系统和定时器休眠模块；

定时器休眠模块用于接收时间数据处理模块发来的定时结束信 号，根据该信号清除相应的定时请求信号，为下一次定时请求做初始 化准备。

所述的定时器装置，优选的：

所述定时器包括递减计数器和定时计数缓冲寄存器，

时间数据处理模块包括定时中断次数计数器、计数结束标志位、 中断溢出位、中断溢出计数器；

所述定时请求信号包括：①定时器编号T_num，②预定定时时 长C_time，③定时初始参数P_init；

所述时间数据处理模块对定时器的定时时间进行实时检测包括， 实时读取当前定时参数P_curt，然后根据时间差值算法对定时时长 进行实时检测判断：时间差值＝当前定时参数-初始定时参数，当时间 差值大于等于请求的定时时长，即Δ＝P_curt-P_init≥C_time时， 定义“计数结束”标志变量F_tup为“1”，并输出给控制系统；

所述中断溢出位F_of在定时中断次数计数器的计数值未发生溢 出时为0，发生溢出时置为1。

所述的定时器装置，优选的：

所述定时初始参数P_init和当前定时参数P_curt都是结构体变 量，P_init包括定时器递减计数器的初始计数值P_0，定时中断次数 计数器的初始计数值P_C0以及中断溢出计数器的初始计数值P_OC0； P_curt包括定时器递减计数器的当前计数值P_t，定时中断次数计数 器的当前计数值P_Ct以及中断溢出计数器的当前计数值P_OCt。

所述的定时器装置，优选的：请求信号发出后，请求定时模块将 计数结束标志位中的标志变量F_tup设为“0”，每接收一个脉冲递 减计数器的值P_t减1，每当P_t减为0时，定时器向时间数据处理模 块发送信号，根据该信号，定时中断次数计数器的计数值P_Ct的值 加1，定时计数缓冲寄存器中的值自动重载到递减计数器中；当P_Ct 的值达到其上限值P_C_limit时，中断溢出计数器的计数值P_OCt加1， 时间数据处理模块将中断溢出位置1，同时将P_Ct清零。

所述的定时器装置，优选的：所述时间数据处理模块按如下方式 对定时器的定时时长进行计算：

1)当F_of＝0时，表示定时器中断次数累计没有发生溢出，当 前定时时长按如下公式计算：

${\Delta }_n={\Delta }_n^1+T_{base}\times ({\Delta }_n^2+{\Delta }_n^3)---\left(1\right)$

其中：$\left(\begin{array}{c}{\Delta }_n^1=(T{0}_n^1-{\mathrm{Tt}}^1)\\ {\Delta }_n^2=({\mathrm{Tt}}^2-T{0}_n^2)\\ {\Delta }_n^3=0\end{array}\right)---\left(2\right)$

2)当F_of＝1时，表示定时器中断次数累计有溢出现象发生， 当前时间长度计算公式如下式：

${\Delta }_n={\Delta }_n^1+T_{base}\times ({\Delta }_n^2+{\Delta }_n^3)---\left(3\right)$

其中：$\left(\begin{array}{c}{\Delta }_n^1=(T{0}_n^1-{\mathrm{Tt}}^1)\\ {\Delta }_n^2={\mathrm{Tt}}^2+(P\_C_{\lim it}-T{0}_n^2)\\ {\Delta }_n^3=P\_C_{\lim it}\times ({\mathrm{Tt}}^3-T{0}_n^3-1)\end{array}\right)---\left(4\right)$

式(1)、(2)、(3)和(4)中：

T_base表示定时器的时间计数timebase，即定时计数缓冲寄存 器中用于自动重载到递减计数器中的值；设控制系统定时器中断频率 为T_irpt，则T_base按式(5)计算：

$T_{base}=\frac{T_{irpt}}{f}---\left(5\right)$

P_C_limit表示定时参数P_C不发生溢出的最大极限值；

此外，用T0表示初始定时参数、Tt表示当前定时参数、上角标 表示结构体成员编号、下脚标表示数组成员编号。

根据计算式(1)和(3)计算出Δ_n值后，做下式判断：

Δ_n≥C_time(6)。

一种基于嵌入式系统的定时器方法，包括如下步骤：

接收控制系统的定时请求，根据该请求创建定时请求信号，并发 送定时请求信号；

接收定时请求信号，读取定时器的当前定时参数，然后根据时间 差值算法对定时器的定时时长进行实时检测判断，当定时时间达到预 定定时时长时，创建定时结束信号，并将其传递给控制系统；

接收定时结束信号，根据该信号清除相应的定时请求信号，为下 一次定时请求做初始化准备。

所述的定时器装置，优选的：

所述定时器包括递减计数器和定时计数缓冲寄存器，

所述定时请求信号包括：①定时器编号T_num，②预定定时时 长C_time，③定时初始参数P_init；

对定时器的定时时长进行实时检测包括，实时读取当前定时参数 P_curt，然后根据时间差值算法对定时时长进行实时检测判断：时 间差值＝当前定时参数-初始定时参数，当时间差值大于等于预定的定 时时长，即Δ＝P_curt-P_init≥C_time时，定义“计数结束”标 志变量F_tup为“1”，并输出给控制系统；

所述中断溢出位F_of在定时中断次数计数器的计数值未发生溢 出时为0，发生溢出时置为1。

所述的定时器装置，优选的：

所述定时初始参数P_init和当前定时参数P_curt都是结构体变 量，P_init包括定时器递减计数器的初始计数值P_0，定时中断次数 计数器的初始计数值P_C0以及中断溢出计数器的初始计数值P_OC0； P_curt包括定时器递减计数器的当前计数值P_t，定时中断次数计数 器的当前计数值P_Ct以及中断溢出计数器的当前计数值P_OCt。

所述的定时器装置，优选的：请求信号发出后，将计数结束标志 寄存位中的标志变量F_tup设为“0”，每接收一个脉冲递减计数器 的值P_t减1，每当P_t减为0时，发送一个指示信号，根据该信号， 定时中断次数计数器的计数值P_Ct的值加1，定时计数缓冲寄存器中 的值自动重载到递减计数器中；当P_Ct的值达到其上限值P_C_limit时， 中断溢出计数器的计数值P_OCt加1，将中断溢出位置1，同时将P_Ct 清零。

所述的定时器装置，优选的：按如下方式对定时器的定时时长进 行计算：

1)当F_of＝0时，表示定时器中断次数累计没有发生溢出，当 前定时时长按如下公式计算：

${\Delta }_n={\Delta }_n^1+T_{base}\times ({\Delta }_n^2+{\Delta }_n^3)---\left(1\right)$

其中：$\left(\begin{array}{c}{\Delta }_n^1=(T{0}_n^1-{\mathrm{Tt}}^1)\\ {\Delta }_n^2=({\mathrm{Tt}}^2-T{0}_n^2)\\ {\Delta }_n^3=0\end{array}\right)---\left(2\right)$

2)当F_of＝1时，表示定时器中断次数累计有溢出现象发生， 当前时间长度计算公式如下式：

${\Delta }_n={\Delta }_n^1+T_{base}\times ({\Delta }_n^2+{\Delta }_n^3)---\left(3\right)$

其中：$\left(\begin{array}{c}{\Delta }_n^1=(T{0}_n^1-{\mathrm{Tt}}^1)\\ {\Delta }_n^2={\mathrm{Tt}}^2+(P\_C_{\lim it}-T{0}_n^2)\\ {\Delta }_n^3=P\_C_{\lim it}\times ({\mathrm{Tt}}^3-T{0}_n^3-1)\end{array}\right)---\left(4\right)$

式(1)、(2)、(3)和(4)中：

T_base表示定时器的时间基数timebase，即定时计数缓 冲寄存器中用于自动重载到递减计数器中的值；设控制系统定时器中 断频率为T_irpt，则T_base按式(5)计算：

$T_{base}=\frac{T_{irpt}}{f}---\left(5\right)$

P_C_limit表示定时参数P_C不发生溢出的最大极限值；

此外，用T0表示初始定时参数、Tt表示当前定时参数、 上角标表示结构体成员编号、下脚标表示数组成员编号。

根据计算式(1)和(3)计算出Δ_n值后，做下式判断：

Δ_n≥C_time(6)。

一种基于嵌入式系统的软件定时器设计方法，包括定时启动、运 行、停止三个阶段，分别对应软件定时系统的请求定时模块、时间数 据处理模块和定时器“休眠”模块。三个阶段分别由不同的API函数 完成不同的功能，并与控制系统进行数据交换，其中：

A)所述启动阶段，对应请求定时模块。在控制系统请求定时时，该 功能模块负责创建定时请求信号，并将信号传递给数据处理功能 模块。定时请求信号主要包括：①软件定时系统中定时器编号 T_num，②请求定时时长C_time，③定时初始参数P_init。

B)所述运行阶段，对应时间数据处理模块。首先读取控制系统当前 定时参数P_curt，然后根据时间差值算法对定时时长进行实时检 测判断，最后创建定时结束信号F_tup，并将其传递给控制系统。

C)所述停止阶段，对应系统“休眠”模块。负责当某次定时功能结 束后清除相应的定时请求信号，为下一次定时请求做初始化准备。

所述的基于嵌入式系统的软件定时器设计方法，其特征在于：所 述启动阶段，定义结构体类型变量P_init存储初始定时参数，包括定 时系统中定时器编号T_num、请求定时时长C_time，定时器递减计 数器计数值P_t，定时中断次数计数P_Ct以及中断溢出计数P_OCt。 所述定时器计数缓存寄存器(TCNTO)指嵌入式内部寄存器。

所述的基于嵌入式系统的软件定时器设计方法，其中：通 过设定定时器计数缓存寄存器值，确定定时器定时精度，通过公式： 所需计数次数＝(所需时间*系统主频)/定时器计数监视寄存器值， 可得出所需定时器中断次数。

所述的基于嵌入式系统的软件定时器设计方法，其中：所述运行 阶段，定时器开始定时后，定义“计数结束”标志变量F_tup为“0”， 所述定时器中断计数变量P_Ct在每次定时器中断服务函数中增加一 次，若定时器中断次数超过定时器计数变量最大值，便向定时器中断 溢出计数变量进1，且清零定时器中断计数变量。

所述的基于嵌入式系统的软件定时器设计方法，其特征在于：所 述时间差值算法，根据公式：时间差值＝当前定时参数-初始定时参数， 当时间差值大于等于请求定时时长，即Δ＝P_curt-P_init≥ C_time时，定义“计数结束”标志变量F_tup为“1”，并输出给控制 系统，完成计时和延时功能。

所述的基于嵌入式系统的软件定时器设计方，其中：所述停止阶 段，当“计数结束”变量F_tup置“1”后，保证定时参数P_init和P_curt 在下一次请求定时动作发起之前保持一致。

本发明产生的有益效果是:定时时间灵活性强、使用简单方便， 实现了工业控制系统中延时、定时多重性和多样性的要求，且定时精 度高。

附图说明

图1：基于嵌入式系统的定时器装置结构示意图

图2：请求定时子程序流程图

图3：软件定时器数据计数原理

图4：PWM定时器功能原理图

图5：PWM定时器控制流程图

图6：定时运行子程序流程图

图7：定时停止子程序流程图

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明基于嵌入式系统的定时器装置，包括：定时 器、请求定时模块、时间数据处理模块和定时器休眠模块，其中：请 求定时模块用于接收控制系统的定时请求，根据该请求创建定时请求 信号，并向时间数据处理模块发送定时请求信号；时间数据处理模块， 用于接收请求定时模块发来的定时请求信号，读取定时器的当前定时 参数，然后根据时间差值算法对定时器的定时时长进行实时检测判断， 当定时时间达到定时时长时，创建定时结束信号，并将其传递给控制 系统；定时器休眠模块用于接收时间数据处理模块发来的定时结束信 号，根据该信号清除相应的定时请求信号，为下一次定时请求做初始 化准备。

所述定时器包括递减计数器和定时计数缓冲寄存器。所述时间数 据处理模块包括定时中断次数计数器、计数结束标志位、中断溢出位、 中断溢出计数器。所述定时请求信号包括：①定时器编号T_num，② 请求定时时长C_time，③定时初始参数P_init；所述时间数据处理模 块对定时器的定时时长进行实时检测包括，实时读取当前定时参数 P_curt，然后根据时间差值算法对定时时长进行实时检测判断：时间 差值＝当前定时参数-初始定时参数，当时间差值大于等于请求的定 时时长，即Δ＝P_curt-P_init≥C_time时，定义“计数结束”标志变量 F_tup为“1”，并输出给控制系统；所述中断溢出位F_of在定时中断 次数计数器的计数值未发生溢出时为0，发生溢出时置为1。

请求信号发出后，请求定时模块将计数结束标志寄存位中的标志 变量F_tup设为“0”，每接收一个脉冲递减计数器的值P_t减1，每当 P_t减为0时，向时间数据处理模块发送信号，根据该信号，定时中 断次数计数器的计数值P_Ct的值加1，定时计数缓冲寄存器中的值自 动重载到递减计数器中；当P_Ct的值达到其上限值P_C_limit时，中断溢 出计数器的计数值P_OCt加1，时间数据处理模块将中断溢出位置1， 同时将P_Ct清零。

一种基于嵌入式系统的定时方法，包括定时启动、运行、停止三 个阶段，分别对应软件定时系统的请求定时模块、时间数据处理模块 和定时器休眠模块，三个阶段分别由不同的API函数完成，并与控制 系统进行数据交换，其中：

A)所述启动阶段，完成定时请求信号的创建和定时初始数据的预 处理。请求定时子程序需要接收用户提供的请求定时器编号和请求定 时时间两个参数，之后由该子程序向数据处理子程序发送初始定时信 息P_init，并在定时运行阶段与当前定时参数P_curt一同参与时长计算。 因为P_init和P_curt是一个含有多个数组成员的自定义结构体类型的 变量(定时参数结构体设计如表1所示，为便于理解和表述，将本发 明中其余变量定义如表2所示)，故要求请求定时子程序向控制系统 返回多个数据，因此，设计一个返回自定义结构体类型子函数。其控 制流程图如附图2所示。图中*timerid(num，time)是一个指向整型数 组的指针函数。由于软件定时系统中有任意多个相互独立的软件定时 器，分别对应不同的T_num，而函数不能直接返回整个数组的值， *timerid指针函数返回的指针指向请求定时时长数组的首地址，这样 其他子函数便可以通过简单的指针操作获取对应T_num定时器的请 求定时时长。

表1

表2

B)所述运行阶段，采用基于差值比较原理的时间长度算法，来实 时计算当前定时时长。若当前定时时长T_curt满足定时请求时要求的 时长C_time[T_num]，则要求时间数据处理功能模块将相应定时结束标 志F_tup[T_num]置1并传递给控制系统。

1.所述时间长度算法在时间数据处理功能模块中应用，主要是对 定时请求模块传递来的数据初始定时信息P_init和数据处理模块读取 的数据当前定时参数P_curt进行计算，由结构体变量的定义可知， P_init和P_curt的数据来源于三个部分，对这三个部分的数据的操作称 为定时数据的预处理过程。本发明提出的三部分数据之间存在如附图 3所示逻辑关系。每当PWM定时器的递减计数器的值P_t减为0，P_Ct的 值就加1，同时寄存器TCNTB0中的值自动重载到递减计数器中(见 附图4，PWM定时器功能原理示意图)；当P_Ct的值达到数据的上限 值P_C_limit时，P_OCt的值加1，同时将P_Ct清零。每当递减计数器中的 值减为0，系统会向CPU发出一个中断请求信号，使当前程序运行指 针发生跳转去执行定时器中断服务程序，因此，在定时系统中对数据 P_t、P_Ct、P_OCt的处理均在PWM定时器中断服务函数中完成，正是 因为如此，称PWM定时器为软件定时器的硬件基础。设计PWM定时器 控制流程图如附图4所示。

2.所述基于差值比较原理的时间长度算法其核心思想是由API 子函数计算定时参数P_curt和P_init的差值Δ_n，并将其与对应请求定时 时长C_time[T_num]实时进行比较，当Δ_n值满足定时时长要求时，定时 系统的数据处理模块将定时结束标志F_tup[T_num]置1输出并传递给 控制系统。因为PWM定时计数器是递减工作模式，即P_0和P_t的数值 是递减计数，而P_C0、P_Ct、P_OC0和P_OCt是递增计数，且由附图5 可知，在PWM定时中断服务程序中对定时数据的处理有两种模式，在 设计时间长度算法时应分情况进行讨论，因此，本发明基于以下两种 情况提出软件定时系统的时间长度算法：

1)当F_of＝0时

此时，表示定时器中断次数累计没有发生溢出，故当前定 时时长可按如下公式计算：

${\Delta }_n={\Delta }_n^1+T_{base}\times ({\Delta }_n^2+{\Delta }_n^3)---\left(1\right)$

其中：$\left(\begin{array}{c}{\Delta }_n^1=(T{0}_n^1-{\mathrm{Tt}}^1)\\ {\Delta }_n^2=({\mathrm{Tt}}^2-T{0}_n^2)\\ {\Delta }_n^3=0\end{array}\right)---\left(2\right)$

2)当F_of＝1时

此时，表示定时器中断次数累计有溢出现象发生，故在设 计时间长度算法时，要考虑溢出对当前定时长度的影响， 此时，设计时间长度计算公式如下式：

${\Delta }_n={\Delta }_n^1+T_{base}\times ({\Delta }_n^2+{\Delta }_n^3)---\left(3\right)$

其中：$\left(\begin{array}{c}{\Delta }_n^1=(T{0}_n^1-{\mathrm{Tt}}^1)\\ {\Delta }_n^2={\mathrm{Tt}}^2+(P\_C_{\lim it}-T{0}_n^2)\\ {\Delta }_n^3=P\_C_{\lim it}\times ({\mathrm{Tt}}^3-T{0}_n^3-1)\end{array}\right)---\left(4\right)$

式(1)、(2)、(3)和(4)中：

T_base表示PWM定时器的时间计数timebase，即定时计数缓 冲寄存器TCNTBn中用于自动重载到递减计数器中的值。设控制系统 PWM定时中断频率为T_irpt，则T_base可按式(5)计算：

$T_{base}=\frac{T_{irpt}}{f}---\left(5\right)$

P_C_limit表示定时参数P_C不发生溢出的最大极限值；

此外，为简化算法的表达形式，用T0表示初始定时参数、Tt表示 当前定时参数、上角标表示结构体成员编号、下脚标表示数组成员编 号。

根据计算式(1)和(3)计算出Δ_n值后，做下式判断：

Δ_n≥C_time[T_num](6)

综上所述，本发明提出的定时系统时间长度算法的计算过程可归 纳为：

(1)计算PWM定时器递减计数器的初始计数值与当前计数值 Tt¹的差值

(2)检测PWM定时器中断次数计数溢出标志的状态，若F_of＝0， 执行步骤3，若F_of＝1，执行步骤4。

(3)计算定时中断次数计数的当前值Tt²和初始值之差，记为

(4)中断计数次数发生溢出，考虑溢出对计数值的影响计算中断 次数计数的当前值Tt²和初始值之差，记为

(5)计算中断计数值的溢出量，记为

(6)计算三部分差值的的和，记为Δ_n，即为定时系统 实时定时时长；

(7)比较Δ_n与请求定时时长C_time[T_num]关系，若 Δ_n≥C_time[T_num]，将定时结束标志F_tup[T_num]置1输出给控制系 统，表示当前定时结束；否则，跳转执行步骤(1)。

根据时间差值算法设计定时运行API函数，控制流程图如附图6 所示。在子程序中计算Δ_n值时，定时初始参数P_init的值由定时请求 子程序返回，为避免函数在传递和返回数据时产生数据冗余，占用太 多内存，设计数据处理子函数的返回类型为整型，但形式参数为指向 自定义结构体类型Time_Para_init的指针，通过传递P_init的地址来进 行函数调用，指针比整个结构要小得多，所以把它压到堆栈上效率比 直接拷贝结构要高很多。

C)所述定时停止阶段，定时停止是在当计算出当前定时长度满足 设定时长要求需要执行的操作，目的是当前定时功能结束时，保证对 应定时器P_init和P_curt在下一次请求定时动作发起之前保持一致，也 即将Δ_n值设为0，达到初始化定时参数的目的。由此可设计出定时停 止阶段API子函数程序流程图如附图7所示。该函数是一个无返回值 类型的函数，其形式参数有两个，一个是指向结构的指针，另一个是 用户指定请求使用的软件定时器编号。