07-ESP timer

ESP32-S3 ESPTIMER

介绍

ESP Timer是ESP32-S3的一个强大功能，它允许创建软件定时器并在超时时调用它们的回调函数。这对于需要执行延迟或周期性操作的用户软件非常有用，例如延迟设备启动/停止或周期性采样传感器数据。

对于需要较好实时性能（如生成波形）或可配置定时器分辨率的应用场景，建议改用GPTimer。此外，GPTimer 还具有 ESP Timer 中没有的功能，例如事件捕获。

系统定时器

我们先来简单的了解一下系统定时器的结构图，对于后面的编程会有一个较好的思路

ESP32-S3 芯片内置一组 52 位系统定时器。该定时器可用于生成操作系统所需的滴答定时中断，也可用作普通定时器生成周期或单次延时中断。

系统定时器内置两个计数器（UNIT0 和 UNIT1）以及三个比较器（COMP 0、COMP1 和 COMP2）。比较器用于监控计数器的计数值是否达到报警值。定时器的功能块图见上图

1.计数器

ESP32-S3 内置了一个 52 位的高精度计数器，能够基于外部晶体振荡器 XTAL_CLK 运行，该振荡器工作频率通常为 40MHz。

计数器首先对 XTAL_CLK 进行了分频操作，其中在一个计数周期内产生了一个频率为原始 XTAL_CLK 频率三分之一（fXTAL_CLK/3）的时钟信号。

然后，在接下来的计数周期中，又产生了频率为 XTAL_CLK 一半（fXTAL_CLK/2）的时钟信号。

因此，计数器实际使用的平均时钟频率 CNT_CLK，需要把两个不同频率周期的时钟信号综合考虑。假设这两个阶段交替进行且每个阶段占同样比例的时间，则 CNT_CLK 的实际平均频率为：

$$CNT\_CLK=\frac{1}{2}\times \left(\frac{1}{3}+\frac{1}{2}\right)\times f_{XTAL\_CLK}$$

• 其中，
  $$f_{XTAL\_CLK}=40MHz$$

• 代入计算得：
  $$CNT\_CLK=\frac{1}{2}\times \left(\frac{1}{3}+\frac{1}{2}\right)\times 40,000,000Hz$$

• 简化后：
  $$CNT\_CLK=\frac{5}{12}\times 40,000,000Hz$$

• 最终得出：
  $$CNT\_CLK\approx 16,666,666.67Hz$$

即 16MHz见下图1。每个 CNT_CLK 时钟周期，计数递增 1/16µs，即 16 个周期递增 1µs。

2.比较器

COMP0、COMP1、COMP2 均为 ESP32-S3 系统定时器内置的 52 位比较器。比较器同样使
用 XTAL_CLK 作为时钟源(40MHz)。

上图展示了系统定时器生成报警的过程。在上述过程中用到一个计数器(Timer Countern)和一个比较器(Timer Comparatorx)，比较器将根据比较结果，生成报警中断。

关于更多的硬件资料可以看一下官方文档
系统定时器 (SYSTIMER)

特性和概念

ESP Timer API提供了以下功能：

• 一次性和周期性定时器：一次性定时器在到期后只调用一次其回调函数，然后停止操作。周期性定时器在到期后调用其回调函数并自动重启自身，直到手动停止周期性定时器为止。
• 多种回调分派方法：定时器回调可以使用以下方法进行分派：
  • 任务分派方法（默认）：从单个高优先级ESP Timer任务（esp_timer任务（由ISR通知）>回调）分派定时器回调。
  • 中断分派方法（ESP_TIMER_ISR）：直接从中断处理程序（ISR>回调）分派定时器回调。

使用

以下是使用ESP Timer的一般步骤：

1. 定时器句柄：声明一个 esp_timer_handle_t 类型的变量 my_timer，用于存储定时器句柄。
2. 创建定时器：使用esp_timer_create()函数创建一个定时器。
3. 启动定时器：使用esp_timer_start_once()或esp_timer_start_periodic()函数启动定时器。
4. 停止定时器：使用esp_timer_stop()函数停止定时器。
5. 删除定时器：使用esp_timer_delete()函数删除定时器。

示例代码

以下是一个使用ESP Timer的示例代码：

#include "esp_timer.h"

void timer_callback(void* arg)
{
    // 在这里执行你的回调函数
}

void app_main(void)
{
    esp_timer_handle_t my_timer;	//用于存储定时器句柄

    // 定义一个定时器结构体
    esp_timer_create_args_t timer_args = {	
        .callback = &timer_callback,	//设置回调函数
        // 可以添加其他参数
    };
    esp_timer_create(&timer_args, &my_timer);	//将创建的定时器句柄存储到 my_timer 中。

    // 启动定时器
    esp_timer_start_once(my_timer, 1000000);  // 1秒后执行回调函数 第二个参数单位为us

    // 停止定时器
    esp_timer_stop(my_timer);

    // 删除定时器
    esp_timer_delete(my_timer);
}
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关于更多的API功能可以看一次官方的文档
ESP定时器（高分辨率定时器)

实验例程

实验将配置 ESP 定时器每间隔 1000 毫秒产生一次中断，并在其中断服务函数中改变一次 LED 的状态，具体的步骤如下：
①：设置 ESP 定时器的回调函数
②：创建一个事件
③：每周期内触发一次

ESPtimer.h

/**
 * @file ESPtimer.h
 * @author 宁子希 (1589326497@qq.com)
 * @brief 高分辨率定时器（ESP定时器）驱动代码
 * @version 0.1
 * @date 2024-04-16
 * 
 * @copyright Copyright (c) 2024
 * 
 */

#ifndef __ESPTIMER_H__
#define __ESPTIMER_H__

#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "esp_timer.h"
#include "LED.h"


//初始化初始化高分辨率定时器
void ESPtimer_init(uint64_t tps);

//定时器回调函数
void ESPtimer_callback(void* arg);

#endif
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ESPtimer.c

/**
 * @file ESPtimer.cpp
 * @author 宁子希 (1589326497@qq.com)
 * @brief   高分辨率定时器（ESP定时器）驱动代码
 * @version 0.1
 * @date 2024-04-16
 * 
 * @copyright Copyright (c) 2024
 * 
 */

#include "ESPtimer.h"

//初始化初始化高分辨率定时器
void ESPtimer_init(uint64_t tps){

    esp_timer_handle_t timer_handle;    //定时器句柄

    esp_timer_create_args_t timer_args={
        .callback=&ESPtimer_callback,    //回调函数
        .arg=NULL,                        //回调函数参数
    };

    esp_timer_create(&timer_args,&timer_handle);    //创建定时器
    
    esp_timer_start_periodic(timer_handle,tps);    //启动定时器 tps单位为us
}

//定时器回调函数
void  IRAM_ATTR ESPtimer_callback(void* arg){
    LED_A_TOGGLE();
    LED_B_TOGGLE();
}
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main.c

/**
 * @file main.c
 * @author 宁子希 (1589326497@qq.com)
 * @brief   高分辨率定时器(ESP定时器)实验
 * @version 0.1
 * @date 2024-04-16
 * 
 * @copyright Copyright (c) 2024
 * 
 */
#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "nvs_flash.h"
#include "LED.h"
#include "ESPtimer.h"

void app_main(void){
    esp_err_t ret;
    
    ret = nvs_flash_init();         /* 初始化NVS */

    if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
    {
        ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
        ret = nvs_flash_init();
    }

    led_init();
    
    ESPtimer_init(1000000);
}

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实验效果

结论

在完成编译和烧录操作后，可以看到板子上的 LED 在闪烁，LED 在 ESP 定时器的中断回调函数中被改变状态，LED 每间隔 1000 毫秒改变一次状态。