GPIO timer interrupt และ PWM

ทำไมต้องรู้

ทุกอย่างที่ MCU ทำกับโลกภายนอกเริ่มจากขาของชิป อ่านปุ่ม อ่านสัญญาณจากเซนเซอร์ สั่ง LED และสั่ง servo หรือ ESC ด้วยพัลส์ที่แม่นยำระดับไมโครวินาที ถ้าใช้ CPU วนนับเวลาเอง จะไม่แม่นยำและกินเวลาที่ควรทำงานอื่น MCU จึงมี timer ที่สร้างพัลส์ได้เองโดยไม่ต้องใช้ CPU และมี interrupt ที่ปลุก CPU เมื่อมีเหตุการณ์

GPIO

ขา GPIO (general-purpose input/output) ตั้งเป็นอินพุตหรือเอาต์พุตได้ ขาอินพุตที่ไม่ได้ต่อกับอะไรจะ “ลอย” และอ่านค่าสุ่ม จึงต้องมี pull-up (ดึงขึ้นหาไฟบวก) หรือ pull-down (ดึงลงกราวด์) ซึ่งมักมีในชิปให้เปิดได้ ปุ่มที่ต่อลงกราวด์กับ pull-up จะอ่านได้ 1 เมื่อไม่กด และ 0 เมื่อกด

Timer และ PWM

Timer นับสัญญาณนาฬิกา $f_{\text{TIM}}$ โดยหารด้วย prescaler (PSC) ก่อน แล้วนับขึ้นจนถึง auto-reload (ARR) จึงเริ่มใหม่ ตามคู่มือ timer ของ ST (AN4776) ความถี่ของรอบคือ $f_{\text{TIM}}/((\text{PSC}+1)(\text{ARR}+1))$ ส่วนค่า CCR กำหนดจุดที่ขาเปลี่ยนจากสูงเป็นต่ำ จึงกำหนดความกว้างพัลส์

Servo และ ESC แบบ PWM อ่าน ความกว้างพัลส์ เป็นคำสั่ง ArduPilot ตั้งค่าเริ่มต้นของเอาต์พุตไว้ที่ SERVOx_MIN 1100, SERVOx_TRIM 1500 และ SERVOx_MAX 1900 µs ส่วนความถี่ของพัลส์ขึ้นกับอุปกรณ์ ต้องดูจากเอกสารของ servo หรือ ESC รุ่นที่ใช้

f_tim = 84_000_000
tick_hz = 1_000_000                       # นับทีละ 1 µs
psc = f_tim // tick_hz - 1
period_us = 20_000
arr = period_us - 1
f_pwm = f_tim / ((psc + 1) * (arr + 1))
print(f"PSC = {psc}, ARR = {arr}, f_PWM = {f_pwm:.1f} Hz")
for pulse_us in (1100, 1500, 1900):
    print(f"pulse {pulse_us} µs -> CCR = {pulse_us}, duty = {pulse_us / (arr + 1):.2%}")

PSC = 83, ARR = 19999, f_PWM = 50.0 Hz
pulse 1100 µs -> CCR = 1100, duty = 5.50%
pulse 1500 µs -> CCR = 1500, duty = 7.50%
pulse 1900 µs -> CCR = 1900, duty = 9.50%

Polling กับ interrupt

• Polling โปรแกรมหลักถามสถานะซ้ำ ๆ ง่าย แต่เปลือง CPU และอาจพลาดเหตุการณ์สั้น
• Interrupt ฮาร์ดแวร์หยุดโปรแกรมหลักชั่วคราวเพื่อเรียก ISR (interrupt service routine) แล้วกลับมาทำต่อ ISR ต้องสั้นที่สุด ตั้ง flag แล้วให้โปรแกรมหลักทำงานหนักต่อ

ปุ่มกลไกมีหน้าสัมผัสที่ สั่น (bounce) ช่วงสั้น ๆ ตอนกด ทำให้เห็นเป็นหลายครั้ง ต้อง กรอง (debounce) โดยยอมรับค่าใหม่เมื่อคงที่นานพอ

samples = [1] * 5 + [0, 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0] + [0] * 20 + [1, 0, 1] + [1] * 15
raw_presses = sum(1 for a, b in zip(samples, samples[1:]) if a == 1 and b == 0)

stable, candidate, count, presses = 1, 1, 0, 0
for s in samples:
    count = count + 1 if s == candidate else 1
    candidate = s
    if count >= 5 and candidate != stable:
        stable = candidate
        presses += stable == 0
print(f"raw falling edges: {raw_presses}, debounced presses: {presses}")

raw falling edges: 5, debounced presses: 1

ปฏิบัติการประจำโมดูล

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

สรุป

• GPIO ต้องมี pull-up หรือ pull-down เมื่อเป็นอินพุต
• ความถี่ PWM คือ $f_{\text{TIM}}/((\text{PSC}+1)(\text{ARR}+1))$ และ CCR กำหนดความกว้างพัลส์
• ArduPilot ตั้งค่าเริ่มต้นของพัลส์ไว้ 1100–1900 µs กึ่งกลาง 1500 µs
• Interrupt ตอบสนองเหตุการณ์ได้ทันที ISR ต้องสั้น และปุ่มต้องกรองการสั่น

แบบฝึกตรวจความเข้าใจ

1. $f_{\text{TIM}}=48$ MHz, PSC = 47, ARR = 999 ความถี่ PWM เท่าใด
2. ในข้อ 1 ถ้า CCR = 250 duty cycle เท่าใด
3. ต้องการนับทีละ 1 µs จากนาฬิกา 150 MHz ต้องตั้ง PSC เท่าใด
4. ArduPilot ตั้งค่าเริ่มต้นกึ่งกลางของพัลส์ (SERVOx_TRIM) ไว้เท่าใด
5. ทำไม ISR จึงควรสั้นที่สุด