YTM32的增強(qiáng)型定時器eTMR外設(shè)模塊簡介

eTMR外設(shè)簡介

YTM32微控制器上集成的eTMR模塊，是一個定時器外設(shè)，下轄多至8個通道，除了可以進(jìn)行基本的周期計數(shù)外，還可以實現(xiàn)硬件輸出比較（PWM）、輸入捕獲的功能，有一些特別的eTMR示例，還支持正交編碼器的功能。

YTM32微控制器上集成了定時器外設(shè)模塊還有TMR、pTMR、LPTMR、RTC等，其中eTMR大多用于產(chǎn)生PWM信號，或者通過輸入捕捉測量方波脈沖信號的寬度。大多用在電機(jī)相關(guān)的應(yīng)用中。

每款芯片集成eTMR實例的數(shù)量不同，以YTM32B1ME05為例，總共6個eTMR，并且每個eTMR實例的部分功能也做了裁剪。如圖x所示。

圖x YTM32B1ME05上集成的6個eTMR外設(shè)

eTMR工作機(jī)制

系統(tǒng)框圖

微控制器定時器外設(shè)模塊的核心，是一個計數(shù)器。所謂通道，實際上是可以匹配計數(shù)器某個計數(shù)值的事件，用戶可以配置在特定的情況下產(chǎn)生事件（例如，對外輸出電平，對內(nèi)產(chǎn)生觸發(fā)信號等）對應(yīng)輸出比較的功能；也可以配置被外部的同步信號觸發(fā)，將發(fā)生事件的時刻快照到通道的數(shù)值寄存器中，對應(yīng)輸入捕獲的功能。因此，帶有多通道的定時器外設(shè)大多設(shè)計得相似，可有系統(tǒng)框圖，如圖x所示。

圖x 常規(guī)帶有多通道的定時器外設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行框圖

引腳與信號

eTMR外設(shè)對外有一些信號綁定到芯片的引腳上。如表x所示。

計數(shù)器與時鐘源

定時器外設(shè)引擎的基本核心是一個可以由外部時鐘源驅(qū)動計數(shù)的定時器。

eTMR外設(shè)涉及到兩個時鐘源：驅(qū)動訪問寄存器的外設(shè)總線時鐘，和驅(qū)動定時器計數(shù)的功能時鐘。有一些型號的芯片，可能會設(shè)計可以接入到eTMR的功能時鐘的不同時鐘源。例如，可以直接將PLL倍頻后的高速時鐘直接送入定時器外設(shè)，以獲取更高的控制精度，也可以將低功耗模式下能夠繼續(xù)存活的低速時鐘源接入定時器的時鐘源，從而可以芯片的低功耗模式下繼續(xù)自行工作。但在本例的YTM32B1ME05微控制器上，是將SCU模塊中產(chǎn)生的FAST_BUS_CLK固定接入eTMR的功能時鐘源。如圖x所示。這在IPC模塊的章節(jié)中的表Table 13.1 IP Clock Control Table的備注里，也有相關(guān)的描述。

eTMR module clock source is FAST_BUS_CLK default, also can use TCLK through configuring in the eTMR register, and TCLK frequency must be less than the half of FAST_BUS_CLK.

圖x FAST_BUS_CLK時鐘源的生成樹

在eTMR外設(shè)模塊內(nèi)部，還可以通過配置寄存器eTMR_CTRL[CLKSRC]，選擇使用計數(shù)的功能時鐘源，來自IPC模塊的FAST_BUS_CLK，或是從eTMR_TCLK_IN0引腳接入的外部時鐘源。而在CIM外設(shè)中，可以通過配置寄存器CIM_ETMROPT0[ETMRx_EXTCLK_SEL]，選擇eTMR_TCLK_IN0/eTMR_TCLK_IN1/eTMR_TCLK_IN2其中之一生效。

eTMR的計數(shù)時鐘信號CLK_src進(jìn)入eTMR外設(shè)后，還需要經(jīng)過一個7位的分頻器，才會送入eTMR的計數(shù)器驅(qū)動計數(shù)CLK_cnt。這個分頻器的分頻因子，是在寄存器eTMR_CTRL[CLKPRS]中設(shè)定的。有計數(shù)器計數(shù)時鐘頻率的計算公式如下：

經(jīng)過分頻的時鐘信號送入計數(shù)器，驅(qū)動計數(shù)。大多數(shù)eTMR的內(nèi)部計數(shù)器是16位的（eTMR3是32位），一旦啟動定時器（軟件設(shè)置寄存器eTMR_CTRL[EN]=1）并等到Load事件（標(biāo)志位eTMR_SYNC[LDOK]=1），則計數(shù)器將會從寄存器eTMR_INIT載入初值到計數(shù)器寄存器eTMR_CNT中（eTMR_SYNC[INITCNT]=1）或是直接向eTMR_CNT寄存器中寫初值，開始遞增計數(shù)。軟件可以從計數(shù)器寄存器eTMR_CNT中實時讀到當(dāng)前計數(shù)器的值。當(dāng)計數(shù)值達(dá)到寄存器eTMR_MOD中設(shè)定的值時，會觸發(fā)Overflow溢出事件（可產(chǎn)生中斷，也可產(chǎn)生觸發(fā)信號），起eTMR_STS[TOF]標(biāo)志位，然后定時器計數(shù)器直接回返至寄存器eTMR_INIT的值。如此，形成計數(shù)周期。如圖x所示。

圖x eTMR的計數(shù)器溢出事件

在一些應(yīng)用場景中（例如電機(jī)控制），需要多個eTMR配合，使用相同頻率的時鐘源，并且使用相同相位的時鐘信號。此時，就需要多個eTMR外設(shè)實例同步啟動，為此，eTMR設(shè)計了GTB功能（Global Time Base）。所有設(shè)定了寄存器eTMR_CTRL[GLOBEN]=1的eTMR實例將會并如GTB的集合，其中設(shè)定eTMR_SYNC[GLOB]=1的eTMR實例將作為主機(jī)，其余eTMR實例為從機(jī)，由主機(jī)eTMR控制GTB集合中所有eTMR的啟動。

eTMR外設(shè)可以配置成輸出比較模式、輸入捕獲模式、專用PWM模式和編碼器模式：

• 當(dāng)為編碼器模式時，整個eTMR不能使用其他模式的功能。
• 單個通道只能配置成輸出比較模式、輸入捕獲模式或?qū)Ｓ肞WM模式中的一種，但多個不同模式的通道可以在同一個eTMR中共存。

輸出比較模式

輸出比較功能多用于產(chǎn)生簡單的PWM信號。

設(shè)置通道控制寄存器eTMR_CHn_CTRL[CHMODE]=1，該通道為輸出比較模式。輸出比較模式下，通道引腳為輸出方向，引腳電平的初值由寄存器eTMR_CHn_CTRL[CHINIT]和eTMR_CHn_CTRL[CHPOL]指定，在匹配事件發(fā)生后，輸出指定的電平（由eTMR_CHn_CTRL[VAL0CMP]和eTMR_CHn_CTRL[VAL1CMP]確定）。

不同于以往簡單的多通道定時器外設(shè)的設(shè)計，eTMR為每個通道設(shè)計了兩個匹配值寄存器eTMR_CHn_VAL0和eTMR_CHn_VAL1。當(dāng)設(shè)定寄存器eTMR_CHn_CTRL[CHMODE]=2時，該通道被設(shè)定為輸出比較模式。寄存器eTMR_CHn_VAL0和eTMR_CHn_VAL1各自設(shè)定一個匹配值，控制該通道綁定的引腳輸出指定電平（eTMR_CHn_CTRL[VAL0CMP]和eTMR_CHn_CTRL[VAL1CMP]的配置值，可以指定在匹配時輸出高電平、低電平或是翻轉(zhuǎn)）。以此可以產(chǎn)生PWM信號。

圖x eTMR的輸出比較機(jī)制

通過配置定時器的MOD，可以指定輸出PWM信號的周期。在PWM信號的周期內(nèi)部，通過配置通道的VAL0和VAL1，可以控制PWM信號的相位和占空比。

PWM模式

雖然輸出比較模式可以用于產(chǎn)生簡單的PWM信號，但eTMR仍然設(shè)計了專門的PWM模式（寄存器eTMR_CHn_CTRL[CHMODE]=1）。在專門的PWM模式下，除了能夠以約定的方式配置一些寄存器產(chǎn)生邊沿對齊和中央對齊的PWM信號外，eTMR還可以將兩路輸出通道組合成一對互補(bǔ)輸出，以及捕獲硬件錯誤信號等，專門針對電機(jī)控制系統(tǒng)中對PWM信號的需求。

手冊中描述了eTMR的PWM模式工作機(jī)制的框圖，如圖x所示。

圖x eTMR的PWM模式工作機(jī)制

實際上，在專門的PWM模式下，如手冊上的詳細(xì)描述，無論是產(chǎn)生中央對齊、邊沿對齊還是非對稱對齊（有相位差的邊沿對齊）的PWM信號波形，對每個通道的INIT、MOD、VAL0、VAL1寄存器的使用方式，同在輸出比較模式下產(chǎn)生PWM信號的用法并無二致。專門PWM模式較于使用輸出比較模式產(chǎn)生PWM信號增加的主要功能，是能夠?qū)蓚€通道配對形成一個輸出通道對（Channel Pair），而有一些功能，需要在啟用通道對之后，才能解鎖，例如產(chǎn)生互補(bǔ)輸出PWM信號。

通道配對

在有8個通道的eTMR模塊中，偶數(shù)編號的通道同+1后的奇數(shù)通道可以配對，例如，0和1號通道配對，2和3號通道配對等。當(dāng)啟用任何需要通道配對完成的功能時（配置寄存器eTMR_CTRL寄存器中的COMPLxx或DBSWxx字段），對應(yīng)通道即配對成功。如圖x所示。

圖x eTMR_CTRL寄存器中的字段

當(dāng)通道配對成功后，通常使用偶數(shù)編號的通道的配置，控制通道對在啟用模式下的行為，奇數(shù)編號通道的配置不再生效。

通道對的互補(bǔ)輸出（Complementary Mode）

當(dāng)設(shè)置eTMR_CTRL[COMPLxx]=1時，將對應(yīng)通道配對，并啟用互補(bǔ)輸出模式。此時，奇數(shù)編號的通道的占空比設(shè)置都不起作用，奇數(shù)編號通道輸出的信號完全與通道對的偶數(shù)號通道的輸出電平相反。如圖x所示。

圖x eTMR的PWM互補(bǔ)輸出模式

從圖中可以看到，PWM1的信號并沒有受到CH1_VAL0和CH1_VAL1的控制，而是同PWM0相對。

雙緩沖輸出PWM（Double Switch）

當(dāng)設(shè)置eTMR_CTRL[DBSWxx]=1時，將對應(yīng)通道配對，并啟用雙緩沖模式。當(dāng)啟用雙緩沖模式后，偶數(shù)通道和奇數(shù)通道產(chǎn)生的PWM信號相互亦或XOR，通過偶數(shù)通道的引腳輸出亦或之后的信號，如圖x所示。

圖x PWM模式下的雙緩沖模式

雙緩沖模式通常同互補(bǔ)輸出模式一起使用，此時偶數(shù)通道引腳輸出的是兩個通道亦或之后的信號，奇數(shù)通道輸出的時取反的信號。這是基于FOC算法，實現(xiàn)電機(jī)應(yīng)用中的開窗操作，方便ADC采樣的一個小功能。

錯誤檢測機(jī)制（Fault Detection）

錯誤檢測機(jī)制指的是，若外部的硬件電路檢測到某種不安全的狀態(tài)（例如電機(jī)突然停轉(zhuǎn)，電機(jī)內(nèi)部的電流采樣過大，需要關(guān)斷PWM控制的橋臂），就會立刻將PWM輸出端口關(guān)斷，或者將端口輸出的切換至一種預(yù)設(shè)的安全的狀態(tài)。這個錯誤檢測的事件，對于eTMR模塊來說，就是一個觸發(fā)信號。這個信號可以來自于TMU（Trigger Multiplexer Module），也可以來自于錯誤檢測引腳（eTMR_FLTn）。

eTMR對這個錯誤檢測的的觸發(fā)信號設(shè)計了一系列濾波和事件捕獲機(jī)制（既然要突然關(guān)斷eTMR的所有輸出信號，當(dāng)然是要慎之又慎），如圖x所示。

圖x eTMR的錯誤檢測信號鏈

圖x中展示的關(guān)于錯誤檢測信號的功能，均可在寄存器eTMR_FAULT中設(shè)定。如圖x所示。

圖x eTMR_FAULT寄存器

輸入捕獲模式

設(shè)置通道控制寄存器eTMR_CHn_CTRL[CHMODE]=3，該通道為輸入捕獲模式。輸入捕獲模式下，通道的引腳自動切換為輸入方向，用以捕獲觸發(fā)信號（由寄存器CH_CTRL[CAPEDGE]設(shè)置），在觸發(fā)到來之時，將eTMR中計數(shù)器的值快照到通道的eTMR_CH_CVAL寄存器中，同時通道的標(biāo)志位eTMR_STS[CHxF]也將置位。

輸入捕捉通常用于記錄某些關(guān)鍵事件發(fā)生的時刻，例如用來測量方波信號的頻率或者脈寬等。

正交編碼器功能

部分eTMR的實例被設(shè)計支持編碼器模式。在有支持編碼器模式的eTMR中（例如YTM32B1ME05的eTMR1），設(shè)置寄存器eTMR_QDCTRL[QDEN]=1，即可將eTMR整個變成編碼器，其余通道引腳和錯誤檢測引腳的eTMR功能都被停用，使用專用的eTMR_QD_PHA和eTMR_QD_PHB引腳捕獲來自編碼器的脈沖信號流。

正交編碼器的兩個信號，是前后相位相差90度的同頻方波信號，并且可通過相差的前后判斷編碼器的旋轉(zhuǎn)方向。

圖x展示了eTMR編碼器模塊的工作機(jī)制。將旋轉(zhuǎn)編碼器的兩路輸出信號輸入到編碼器模塊的引腳后，eTMR模塊內(nèi)部對旋轉(zhuǎn)編碼器的信號先進(jìn)行采樣（同步，）、消抖（濾波，eTMR_QDCTRL[QDFCNT]和eTMR_QDCTRL[QDFPER]）、可選配置相位（eTMR_QDCTRL[PHAPOL]和eTMR_QDCTRL[PHBPOL])，然后進(jìn)入編碼器信號變換模塊（主要是D觸發(fā)器），將解析出的速度信號（脈沖序列）和方向信號（電平）送入eTMR的計數(shù)器（經(jīng)過eTMR_QDCTRL[QDCLKPRS]分頻后送入），此時，eTMR的計數(shù)器的工作狀態(tài)，等同于使用外部時鐘源驅(qū)動計數(shù)。用戶可以實時讀取eTMR_CNT的值，對應(yīng)編碼器的位置。

圖x eTMR的編碼器功能框圖

這里要注意，編碼器的方向是可以正轉(zhuǎn)，也可以反轉(zhuǎn)的，這就意味著eTMR_CNT寄存器中的值可以遞增，也可以遞減。

在eTMR_QDCTRL[QDMODE]寄存器段中可以指定4中編碼器的工作模式：

• 00b - Phase A and phase B decoding mode. When phase B changes follow phase A, the counter increases. When phase A changes follow phase B, the counter decreases.
• 01b - Phase A and phase B decoding mode. When phase A changes follow phase B, the counter increases. When phase B changes follow phase A, the counter decreases.
• 10b - Counting and direction decoding mode. Phase B input controls direction. When phase B input is high, the counter increases with phase A pulse. When phase B input is low, the counter decreases with phase A pulse.
• 11b - Counting and direction decoding mode. Phase A input controls direction. When phase A input is high, the counter increases with phase B pulse. When phase A input is low, the counter decreases with phase B pulse

同步機(jī)制

因為計數(shù)器和總線上訪問寄存器使用兩個不同的時鐘域，又或是因為在有些應(yīng)用（例如電機(jī)）場景中，需要硬件保證的同步更新一組寄存器，而不能又軟件一個一個地賦值（否則切換過程中出現(xiàn)不當(dāng)配置，電機(jī)就燒啦），eTMR為一些同計數(shù)相關(guān)的寄存器設(shè)計了緩沖寄存器（Buffered Registers），或者被稱為“影子寄存器”（Shadow Registers）。影子寄存器對用戶來說是不可見的。當(dāng)啟用影子模式后（eTMR_SYNC[REGLD] != 0），用戶通過APB總線向擁有影子寄存器的真實寄存器中寫數(shù)時，實際由硬件控制先寫到影子寄存器中，當(dāng)預(yù)設(shè)的同步觸發(fā)信號到來之時，硬件自動將影子寄存器中的數(shù)值寫入到實際的寄存器中生效。如圖x所示。

圖x eTMR的影子載入機(jī)制

圖x中展示了，eTMR中擁有影子的寄存器包括：eTMR_INIT、eTMR_MOD、eTMR_MID、eTMR_CHn_VAL0、eTMR_CHn_VAL1、eTMR_CHn_MASK，可以觸發(fā)載入事件的觸發(fā)信號，可以來自于MOD或者M(jìn)ID匹配事件、軟件或者硬件觸發(fā)，或者軟件寫eTMR_SYNC[LDOK]=1。載入事件也可以至起標(biāo)志位eTMR_STS[RF]。

關(guān)于影子模式相關(guān)的寄存器配置，均在寄存器eTMR_SYNC中可查閱。例如，eTMR_SYNC[LDREQ]指定了在啟用同步機(jī)制的情況下，連續(xù)觸發(fā)多少次同步事件，才能真的同步一次。

調(diào)制模式

eTMR的調(diào)制模式，是另一種通道對混合應(yīng)用的方式，但不同于eTMR內(nèi)部通道對信號的相互耦合，調(diào)制模式允許兩個不同eTMR模塊以不同頻率的信號相互調(diào)制(進(jìn)行與AND邏輯計算）。這種多個實例配合起來的功能，需要在SOC級上進(jìn)行配置，這也就意味著并不是集成了多了eTMR外設(shè)，就一定支持調(diào)制模式。

以YTM32B1ME05為例，當(dāng)啟用調(diào)試模式時，eTMR0的8個通道（配置CIM_ETMROPT[eTMR0_CHxOUTSEL]）可以同eTMR1的CH0調(diào)制，通過eTMR0的通道引腳輸出調(diào)制后的PWM信號。

圖x 調(diào)制模式在CIM的配置寄存器

調(diào)試模式產(chǎn)生的信號，可用來實現(xiàn)BLDC電機(jī)控制中的負(fù)載調(diào)制，對相位控制信號用占空比進(jìn)一步對信號功率打折，也可以用來實現(xiàn)某些紅外調(diào)制的控制信號。

中斷、DMA及觸發(fā)信號

作為一個典型的帶輸入輸出的多通道定時器外設(shè)，eTMR的超時事件、各通道的匹配（或輸入捕獲事件）事件、錯誤檢測輸入信號，以及編碼器溢出事件都可以觸發(fā)中斷。當(dāng)對應(yīng)事件產(chǎn)生后，有標(biāo)志將會在eTMR_STS寄存器置位，若此時寄存器eTMR_INTE的對應(yīng)位被置1（啟用中斷），則會將觸發(fā)信號送至中斷管理器NVIC，觸發(fā)中斷。用戶通過寫eTMR_STS寄存器以清零標(biāo)志位。

eTMR的事件標(biāo)志寄存器

這里需要注意的是，eTMR的每個通道設(shè)計了兩個匹配寄存器，這兩個寄存器會共用同一個通道標(biāo)志位，這就意味著，如果要分別處理兩個通道的中斷，前一個匹配事件的中斷處理過程要盡量短，或者用戶僅使用后一個事件的中斷（允許通道標(biāo)志位溢出，即在標(biāo)志位置位后未被清零的情況下再次發(fā)起標(biāo)志位置位的操作）。

eTMR也可以產(chǎn)生DMA觸發(fā)信號，通過配置各通道的eTMR_CHn_CTRL[DMAEN]=1，可以啟用該通道的匹配（或輸入捕獲）事件，向DMAMUX發(fā)送DMA觸發(fā)請求。這里對應(yīng)于每個通道的兩個匹配事件，對應(yīng)也會產(chǎn)生兩次DMA觸發(fā)請求。例如，在使用DMA的觸發(fā)計數(shù)器對eTMR產(chǎn)生PWM信號的周期進(jìn)行計數(shù)時，對通道的觸發(fā)請求進(jìn)行計數(shù)（eTMR的通道溢出事件不會產(chǎn)生DMA請求），將會是PWM周期數(shù)量的2倍。

DMA觸發(fā)的優(yōu)先級高于中斷觸發(fā)，二者只能有一個生效。一旦使能DMA，即使使能中斷，也不會置起中斷請求。

應(yīng)用要點（軟件）

YTMicro SDK中設(shè)計了eTMR外設(shè)的驅(qū)動程序，有源碼文件 etmr_driver.h、etmr_common.c、etmr_ic_driver.c、etmr_mc_driver.c、etmr_oc_driver.c、etmr_pwm_driver.c、etmr_qd_driver.c等。同時提供了相應(yīng)的樣例工程：etmr_input_capture、etmr_input_capture_interrupt、etmr_output_compare、etmr_pwm。

總結(jié)

本文介紹了eTMR的主要功能，作為一個典型的多通道定時器外設(shè)的實現(xiàn)，eTMR實現(xiàn)了輸出比較、輸入捕獲和專用PWM模式。在常規(guī)應(yīng)用中，可以使用輸出比較功能產(chǎn)生PWM，在專用PWM模式下，可以使用通道配對，實現(xiàn)需要多個引腳輸出實現(xiàn)的功能（例如互補(bǔ)輸出）。eTMR還支持死區(qū)控制，復(fù)雜的掩碼機(jī)制等，本文未作詳解，讀者可根據(jù)應(yīng)用需求再詳查手冊。