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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Genaue Zeitmessung


Autor: Guizmo (Gast)
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Hallo!
Ich möchte das Signal zweier Laserlichtschranken A & B auswerten und 
genau ermitteln wie lange die Zeit zwischen den Flanken ist.
Mir fallen da gerade zwei Möglichkeiten ein:

1. Möglichkeit: Verwendung INT0/INT1

Der erste Interrupt startet den Timer, der zweite Stoppt ihn wieder.
Es ist eine kleine Statemachine notwendig da entweder INT0 oder INT1 
zuerst kommen kann.

Vorteil: Ich kann wahlweise steigende und fallende Flanke auswerten.
Steigende Flanke = Objekt bewegt sich in die Schranke, Fallende Flanke = 
Objekt bewegt sich aus der Schranke

Nachteil: Ist die Zeit zwischen beiden Flanken sehr kurz (im Extremfall 
kommen beide gleichzeitig) könnte es zu Fehlern bei der Erfassung 
kommen.


2. Möglickeit: Verwendung Capture-Modul

Das Signal beider Lichtschranken wird per Hardware XOR verknüpft. Dieses 
Signal geht auf den Capture-Eingang. Eine steigende Flanke setzt den 
Timer zurück, eine fallende Flanke Captured den Timerwert ins Register.

Vorteil: Genaue Messung

Nachteile: Ist die Zeit zwischen beiden Flanken sehr kurz (im Extremfall 
kommen beide gleichzeitig) könnte es zu Fehlern bei der Erfassung 
kommen.

Außerdem kann man nicht feststellen ob das Objekt sich aus oder in die 
Schranke bewegt. Wie könnte man das erweitern?


Vielleicht habe ich eine andere Möglichkeit noch gar nicht in Betracht 
gezogen. Über einen Tipp oder einen Verbesserungsvorschlag wäre ich sehr 
dankbar!

Beste Grüße,

Guizmo

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Welche Genauigkeit und welche absoluten Zeiten sollen denn gemessen 
werden?

Autor: Guizmo (Gast)
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Geschätzt: 5µS +-0.5µS, maximal 1mS

Kurz gesagt, so genau wie mit einem ATmega8 möglich, eventuell mit 
kleiner externer Beschaltung.
In der Programmierung/Beschaltung müsste man auf möglichst geringen 
Jitter achten.
Grüße,
Guizmo

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Geschätzt: 5µS +-0.5µS, maximal 1mS

Was denn nun? Deine zu erwartende (zu messende) Zeit ist etwa 5µs? Oder 
etwa eine Millisekunde?

Und diese Zeit soll mit +/-0,5µs Genauigkeit ermittelt werden???

=> ICP.

Autor: Hannes Lux (Gast)
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Externes RS-FF und ICP?

...

Autor: Guizmo (Gast)
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Je nachdem wie schnell sich das Objekt durch die Lichtschranke bewegt 
ist die zu messende Zeit zwischen ca. 5µS und 1mS. Die Zeiten sollten so 
genau wie möglich gemessen werden.
Denkbar wäre das der Vorteiler vom Timer automatisch eingestellt wird 
damit fortlaufende Messungen so genau wie möglich vonstatten gehen 
(eventuell auch einstellbar).
Wenn man nun das Capture-Modul verwendet, macht die Idee mit der 
XOR-Verknüpfung überhaupt Sinn?
Wie kann man feststellen ob nun die steigenden oder fallenden Flanken 
der beiden Eingangssignale ausgewertet werden?

Ich möchte jetzt nicht zu sehr ins Detail gehen, mich interessiert eher 
die eleganteste technische Lösung die Zeitmessung zu realisieren.

Autor: Ulrich (Gast)
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Einfach wäre ein Mega128 Controller mit 2 ICP Eingängen.

Man kann auch einen Interrupteingang und den ICP Eingang kombinieren. 
Wenn der Controller vor dem Interrupt im Idel Mode ist, sollte das auch 
auf einen Zyklus genau gehen. Also einen externen Interrupt als Start 
und ICP als Stop. Das sollte bei 20 Mhz Takt bis 50 ns Auflösung gehen.

Autor: Hannes Lux (Gast)
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> Man kann auch einen Interrupteingang und den ICP Eingang kombinieren.

Dann hat man das Problem, dass beim Ext-Int die Interrupt-Response-Time 
greift, während beim ICP der Zeitstempel exakt bei der Flanke genommen 
wird. Dann schon lieber zweimal ext-Int, dann heben sich die 
Latenzzeiten auf.

Ich halte immernoch ein externes RS-Flipflop (LS1 setzt, LS2 löscht) und 
ICP für die günstigere Lösung.

...

Autor: Ulrich (Gast)
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Das mit der Interrupt Response Zeit stimmt, aber die ist konstant und 
läßt sich berechnen.

Die Lösung mit dem externen Flipflop geht genausogut, braucht aber 
externe Hardware. Die minimale Zeit sollte das gleiche sein:
Mit Flipflop die Zeit um die Flanke umzustellen. Mit Interupt die Zeit 
um den Timer zu starten.

In beiden Fällen sollte man ab etwa 6 Zyklen (300 ns) messen können, 
wenn man es unbedingt will.


2 mal mit externem Interrupt sollte etwas längere minimale Zeit geben, 
denn da muss man erst noch die Interruptquelle umschalten, und man muß 
mit dem Jump am Anfang der ISR arbeiten. Mit dem Idel Mode 
zwischendurch, kann man da aber auch auf einen Zyklus genau werden. Bei 
mehr als 65500 Zyklen wird es aber schwierig.

Autor: Guizmo (Gast)
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Die Kombination mit ICP und ext. Interrupt hatte ich auch schon 
angedacht und scheint mir die beste Lösung zu sein.

Mit einem RS-FF kann ich leider nicht arbeiten da ich von vornherein 
nicht weiss ob erst die Schranke A und dann B oder B und A unterbrochen 
werden oder habe ich das vielleicht falsch verstanden?

Daher die Idee mit dem Hardware XOR womit man quasi beide Ereignisse 
(Objekt bewegt sich in Schranke und Objekt bewegt sich aus Schranke) 
erfassen kann.
Ich weiss nur noch nicht genau wie ich die Unterscheidung mache ob A/B 
oder B/A.
Hat hier vielleicht jmd noch eine Idee?

Generell würde ich zusätzlich zum Capture-Interrupt auch einen 
Overflow-Interrupt einbauen der die Fehlerbehandlung macht und die 
internen State-Machines zurücksetzt.
Da die Geschwindigkeit des Objekts relativ konstant ist, kann ich den 
Vorteiler des Timers optimal einstellen.

Ich poste heute noch einen Eagle-Plan wo die grundsätzliche Idee nochmal 
aufgezeigt ist.

Danke und beste Grüße an alle!

Autor: Hannes Lux (Gast)
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> Das mit der Interrupt Response Zeit stimmt, aber die ist konstant und
> läßt sich berechnen.

Sooo konstant ist die (beim AVR) gar nicht, es kommt immer darauf an, 
was der Controller zum Zeitpunkt der Interruptanforderung gerade macht. 
Denn die (Maschinen-)Befehle haben unterschiedliche Ausführungszeit, der 
angefangene Befehl wird immer erst fertig abgearbeitet. Um die 
Latenzzeit konstant zu halten, muss man schon dafür sorgen, dass der 
Controller immer aus dem Sleep (Idle-Mode) geweckt wird. Das bedeutet 
nun wieder, dass die restlichen Arbeiten auf die Zeit nach einer Messung 
konzentriert werden. Oder man muss die Differenzen (bis zu 3 Takte) 
akzeptieren. Software ICP (also ext.-Int und Timer in der ISR auslesen) 
sollte also nicht die erste Wahl sein, wenn es genau werden soll.

> Die minimale Zeit sollte das gleiche sein:
> Mit Flipflop die Zeit um die Flanke umzustellen.

Klar wird die minimale Zeit durch die Rechenzeit der ISR (incl. Aufruf 
und Rücksprung) bestimmt. Das Umstellen der Flanke kostet bei Verwendung 
zweier (unterer) Exklusiv-Register mit den beiden vordefinierten 
Bitmustern gerade mal einen Takt (OUT). Der sollte zur Verfügung 
stehen... ;-)

> Mit Interupt die Zeit um den Timer zu starten.

Für ICP wird kein Timer gestartet, das wäre kontraproduktiv, denn der 
ICP-Int nimmt den Zeitstempel (des laufenden Timers) nicht erst in der 
ISR, sondern bereits beim Auftreten der Flanke. Für Impulsmessung 
entscheidet man in der ISR anhand eines Merkers, ob es Anfang oder Ende 
ist, beim Anfang merkt man sich den Zeitstempel, beim Ende ermittelt man 
die Differenz zum gemerkten Anfang. Selbst bei Software-ICP sollte man 
den Timer nicht ohne Not anhalten. (Habe ich zwar auch schon gemacht, 
würde ich heute aber möglichst vermeiden...) Wohlüberlegtes Verwenden 
von Exklusivregistern erspart langsame RAM-Zugriffe.

...

Autor: Hagen Re (hagen)
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A und B wird XOR verküpft und kommt am ICP dran. Parallel dazu A 
und/oder B an zwei/ein Pins. Der ICP triggert immer nur auf L/H Flanke. 
Angenommen deine A/B Ausgänge sind L-aktiv, dh. L-Pegel signalisiert 
unterbrochene Lichtschranke. Durch das XOR ergibt sich also immer die 
Sequenz LLLL-HLH-LLLLLL unabhängig der Richtung in der die Lichtschranke 
durchlaufen wird. In der ICP-ISR, die ja immer durch eine L/H Flanke 
getriggert wird liest du die beiden Pins für A/B ein. Anhand deren 
Kombination kannst du nun ermitteln ob eine Messung beginnt (relativ zur 
letzten Messung) und ob eine Messung beendet wurde und in diesem Falle 
weist du auch durch diese Pins in welcher Richtung die Lichtschranke 
durchlaufen wurde.

Also

1. ICP-ISR, A=L B=H, ICP=L/H Flanke, Messung=not Messung, Messung 
beginnt
2. ICP-ISR, A=H B=L, ICP=L/H Flanke, Messung=not Messung, Messung ist 
beendet, von A nach B durchlaufen

1. ICP-ISR, A=H B=L, ICP=L/H Flanke, Messung=not Messung, Messung 
beginnt
2. ICP-ISR, A=L B=H, ICP=L/H Flanke, Messung=not Messung, Messung ist 
beendet, von B nach A durchlaufen

Dies zeigt auch warum ich meine das es ausreicht A xor B an ICP Pin und 
A oder B an einem Pin. Du misst ja nur die Zeitspanne zwischen der 
Unterbrechung jeweils einer Lichschranke bis zur Unterbrechungen jeweils 
nur der anderen Lichtschranke, also Ein- und Austrittspunkt des Objektes 
in die Lichtschrankenkonstruktion. Und dieser Ein-/Austrittspunkt ist 
klar im Signal definiert, nämlich nur die L/H Flanke des XOR Signales 
wenn deine Lichtschranken L-aktiv sind.
Wenn du nur zb. das Signal A auswertest dann siehst du an obiger Tabelle 
der möglichen ICP-ISRs das man mit dessen Signal auch die Richtung 
bestimmen kann.

Gruß Hagen

Autor: Hagen Re (hagen)
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Möchtest du das nun störunanfälliger machen dann schliest du A und B and 
zwei Pins im level triggered INT Pins an. Spätestens wenn in deren ISRs 
an beiden Pins L-Pegel anliegt ist eine Messung zu Ende. Also selbst 
wenn dein AVR mit dem ICP zu langsam wäre kannst du so erkennen das die 
Variable Messung=False gesetzt werden muß.

Also nochmal

ICP Pin = A xor B und auf L/H Flanke getriggert
INT0 = A, auf L-Pegel getriggert
INT1 = B, auf L-Pegel getriggert

INT0-ISR: wenn A und B = L-Pegel dann Messung = False, wenn Messung = 
true war dann Zeitstempel auswerten

INT1-ISR: wenn A und B = L-Pegel dann Messung = False, wenn Messung = 
true war dann Zeitstempel auswerten

ICP-ISR:
Messung = not Messung, wenn Messung False war dann beginnt eine neue 
Messung, A oder B auswerten für Richtung, Timestamp berechnen


Gruß Hagen

Autor: Hagen Re (hagen)
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Übrigens ist es dabei egal wie weit die Lichtschranken relativ zur 
detektierbaren Objektgröße zueinander angebracht werden. Dein XOR 
liefert im minimalen Fall eine Sequenz von LLLLLL-HLH-LLLLLL bei großen 
Objekten und engem Abstand der Lichtschranken und bei kleinen Objekten 
mit größerem Abstand eine Sequenz wie LLLL-HL-LLLLL-HL-LLLLL. Du 
triggerst den ICP aber immer nur auf L-H bzw. H-L Flanke.
Theoretisch kannst du sogar ermitteln ob mehr als ein Objekt in deine 
Konstruktion reingelaufen ist oder sogar ob das Objekt innerhalb der 
Konstruktion seine Richtung geändert hat ;)

Gruß Hagen

Autor: Guizmo (Gast)
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@Hagen Re: Wow, danke für diese ausführliche Beschreibung. Damit sollte 
ich das aus alle Fälle hinkriegen.
Die Schranken haben entweder einen H oder L Ausgang sobald sie 
unterbrochen werden. Unterschied sollte das keinen machen, A xor B gibt 
immer das selbe Ergebnis und INT0/INT1 kann man ja einstellen ob H oder 
L-Level aktiv.
Grüße, Guizmo

Autor: Hagen Re (hagen)
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>Unterschied sollte das keinen machen, A xor B gibt
>immer das selbe Ergebnis und INT0/INT1 kann man ja einstellen ob H oder
>L-Level aktiv.

Nur in der Software macht es einen Unterschied, aber mariginal, bei der 
Auswertung der Zustände A/B an den Pins.

Ich empfehle dir mal praktisch deine Lichtschrankenkonstruktion auf dem 
Papier aufzumalen und alle Zustände wenn sich ein Objekt von Links und 
Rechts durchbewegt zu simulieren. Das Objekt einmal mit kleinerem 
Durchmesser als der Abstand der Lichtschranken und einmal mit größeren. 
Unter der Bedingung A xor B am ICP und A und B zusätzlich an INTx Pins. 
Du wirst sehen das sowas oft bei der Problemlösung hilft und in deinem 
Falle eigentlich zeigt wie trivial es ist. Um auf alle Eventualitäten 
vorbereitet zu sein simulierst du noch das das Objekt innerhalb der 
Lichtschranken verschwindet oder Richtung wechselt und schwups weist du 
wie du in deiner FSM getriggert durch ICP und INTx und Timer reagieren 
musst um Fehlmessungen auszuwerten.

Gruß Hagen

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