AVR_Timer

AVR定时/计数器的结构与应用

一、定时/计数器的结构

1.1 学习和使用定时/计数器，需要注意的基本要素

• 定时/计数器的长度
  
  • 一般为8位（1字节）和16字节（2字节）
  • 其中TC0/TC2为8位，TC1为16位
• 脉冲信号源
  
  • 可以由单片机外部提供，也可以由单片机内部提供
• 计数器类型
  
  • 加1（减1）计数器
  • 单向计数器
  • 双向计数器
• 计数器上限
  
  • 计数器的下限是0
  • 计数器上限为计数器的最大值，即255（8位），65535（16位）
• 计数器的事件
  
  • 计数器的事件是指计数器处于某种状态时的输入信号，该信号可以向MCU申请中断。例如，当计数器达到上限值255时，产生溢出中断信号，向MCU申请中断
• 需要使用中断程序，中断详见我之前发表的关于AVR中断的博客，里面有详细介绍和使用方法。
  
  • http://blog.csdn.net/dandri/article/details/54799300

1.2 8位定时/计数器T/C0结构

• 1、ATMega16中有两个8位计数器：T/C0和T/C2,他们都是通用多功能定时/计数器，其主要特点如下：
  
  • 单通道计数器
  • 比较匹配清 0 计数器（自动重装特性）
  • 可产生无抖动的，相位可调的脉宽调制（PWM）信号输出
  • 频率发生器
  • 外部事件计数器（仅 T/C0）
  • 10位时钟预分配器
  • 溢出和比较匹配中断源（TOV0、OCF0和TOV2、OCF2）
  • 允许使用外部引脚的32768HZ晶体作为独立的计数时钟源（仅T/C2）
• 2、T/C0的组成结构
  
  • T/C0中，有两个8位寄存器：
    
    • 计数寄存器TCNT0
    • 输出比较寄存器OCR0
  • 其他相关的寄存器有：
    
    • T/C0 控制寄存器TCCR0
    • T/C0 中断标志寄存器TIFR
    • T/C0 定时器中断屏蔽寄存器TIMSK
  • T/C0 的计数器事件输出信号有两个：
    
    • 计数器计数溢出TOV0
    • 比较匹配相等OCF0
• 3、T/C0的时钟源
  
  • 信号可以来自外部也可以来自内部
  • 时钟源的选择
    
    • T/C0的时钟源选择由T/C0的控制寄存器TCCR0中的三个标志位 CS0[2：0] 确定，共有8中选择。详见后。
• 4、T/C0的计数单元
  
  • T/C0的计数单元是一个可编程的8位双向计数器
    
    • 计数：TCNT0 加 1 或者是 减 1
    • 方向：加或减的控制
    • 清除：清 0 TCNT0
    • 计数时钟源：C/T0时钟源
    • 顶部值：表示TCNT0的计数上限
    • 底部值：表示TCNT0的计数下限

1.3 与8位 T/C0 相关的寄存器

• 1）T/C0计数寄存器TCNT0
  
  • TCNT0是T/C0的计数值寄存器，可以被 MCU 直接访问
  • 设置初值之后，在默认情况下，在满足加减条件时，该寄存器会自动计数并保存计数值

位 7 6 5 4 3 2 1 0 $32($0052) 读/写 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W 初始化值 0 0 0 0 0 0 0 0

• 2）输出比较寄存器OCR0
  
  • 8位寄存器OCR0中的数据用于与寄存器TCNT0中的计数值相比较，在T/C0运行期间，比较匹配单元将会一直将寄存器TCNT0和寄存器OCR0的内容相比较。
  • 一旦匹配，则会输出一个T/C0匹配中断的请求，或改变OC0的输出逻辑电平

位 7 6 5 4 3 2 1 0 $3C($005C) 读/写 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W 初始化值 0 0 0 0 0 0 0 0

• 3）定时/计数中断屏蔽寄存器TIMSK
  
  • 位7（位1）——OCIE2(OCIE0)：T/C2(T/C0)输出比较匹配中断允许标志位
  • 位6（位0）——TOIE2(TOIE0)：T/C2(T/C0)溢出中断允许标志位

位 7 6 5 4 3 2 1 0 $39($0059) OCIE2 TOIE2 TICIE1 OCIE1A OCIE1B TOIE1 OCIE0 TOIE0 读/写 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W 初始化值 0 0 0 0 0 0 0 0

• 4）定时/计数中断标志寄存器TIFR
  
  • 位7（位1）——OCF2(OCF0)：T/C2(T/C0)输出比较匹配中断标志位
  • 位6（位0）——TOV2(TOV0)：T/C2(T/C0)溢出中断标志位
  • 写入一个逻辑“1”到OCF2(OCIE2)和OCF0(OCIE0)，将该标志位清“0”。
  • 写入一个逻辑“1”到TOIE2(TOV2)和TOIE0(TOV0)，将该标志位清“0”。

位 7 6 5 4 3 2 1 0 $38($0058) OCF2 TOV2 ICF1 OCF1A OCF1B TOV1 OCF0 TOV0 读/写 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W 初始化值 0 0 0 0 0 0 0 0

• 5)T/C0控制寄存器TCCR0（特别注意！！！！）
  
  • 位7——FOC0：强制输出比较位。
    
    • 只在T/C0设置为非PWM模式下工作才有效
    • 在PWM模式下写TCCR0寄存器时，该位必须清 0
    • 当将一个逻辑“1”写到FOC0位时，会强加在波形发生器上一个比较匹配成功信号，使波形发生器依据COM[1：0]的设置改变OC0的输出状态
  • 位[3:6]——WGM[1:0]：波形发生模式位。模式设置详见表格。（需要特别注意这两位在寄存器中的位置！！！！）
  • 位[5:4]——COM[1:0]：比较匹配输出方式位。详细设置请参照表格。
    
    • 在普通模式和非PWM模式（CTC模式）下（WGM0 = 0、2）时的COM[1：0]位功能定义。
    • 在快速模式下（WGM0 = 3）时的COM[1：0]位功能定义。
    • 相位可调PWM模式（WGM0 = 1）时的COM[1：0]位功能定义。
  • 位[2:0]——CS0[2:0]：T/C0时钟源选择。

位 7 6 5 4 3 2 1 0 $38($0058) FOC0 WGM00 COM01 COM00 WGM01 CS02 CS01 CS00 读/写 R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W 初始化值 0 0 0 0 0 0 0 0

T/C0的波形产生模式:

模式 WGM01 WGM00 T/C0工作模式 计数上限值 OCR0更新 TOV0置位 0 0 0 普通模式 0xFF 立即 0xFF 1 0 1 PWM相位可调 0xFF 0xFF 0x00 2 1 0 CTC模式 OCR0 立即 0xFF 3 1 1 快速PWM 0xFF 0xFF 0xFF

在普通模式和非PWM模式（CTC模式）下（WGM0 = 0、2）时的COM[1：0]位功能定义（此模式使用最多！！）：

COM01 COM00 说明 0 0 PB3为通用 I / O 引脚（OC0与引脚不连接） 0 1 比较匹配时，触发OC0(OC0为原OC0的取反) 1 0 比较匹配时，清零OC0 1 1 比较匹配时，置位OC0

在快速PWM模式下（WGM0 = 3）时的COM[1：0]位功能定义。

COM01 COM00 说明 0 0 PB3为通用 I / O 引脚（OC0与引脚不连接） 0 1 保留 1 0 比较匹配时，清零OC0；计数值为0xFF时，置位OC0 1 1 比较匹配时，置位OC0；计数值为0xFF时，清零OC0

相位可调PWM模式（WGM0 = 1）时的COM[1：0]位功能定义。

COM01 COM00 说明 0 0 PB3为通用 I / O 引脚（OC0与引脚不连接） 0 1 保留 1 0 向上计数过程中比较匹配时，清零OC0；向下计数过程中比较匹配时，置位OC0 1 1 向上计数过程中比较匹配时，置位OC0；向下计数过程中比较匹配时，清零OC0

T/C0的时钟源选择

CS02 CS01 CS00 说明 0 0 0 无时钟源(停止T / C0) 0 0 1 CLKt0s(不经过分频器) 0 1 0 CLKt0s / 8(来自预分频器) 0 1 1 CLKt0s / 64(来自预分频器) 1 0 0 CLKt0s / 256(来自预分频器) 1 0 1 CLKt0s / 1024(来自预分频器) 1 1 0 外部T0引脚，下降沿驱动 1 1 1 外部T0引脚，上升沿驱动

1.4 8位T / C0的工作模式

• T /C0的控制寄存器TCCR0的标志位WGM[1：0]和COM[1：0]组成了 T / C0 的 4 种工作模式，以及OC0的不同方式的输出。
• 1）普通模式（WGM[1：0] = 0）：这是 T / C0 最简单、最基本的一种工作方式。
  
  • 在普通模式下，T / C0为单向加 1 计数器。一旦寄存器 TCNT0 的值达到了0XFF(上限值)，在下一个脉冲到来的时候便恢复为 0x00 ,并继续加 1 计数。
  • 因为在溢出的时候，TCNT0 变为 0x00 ,溢出标志位TOV0变为 1 ，因此溢出标志位TOV0可以作为计数器的第九位使用，需要配合软件。
  • 用户可以随时改变计数寄存器 TCNT0 的值
• 2）比较匹配清 0 计数器 CTC 模式（WGM[1：0] = 2）：
  
  • T / C0在 CTC 模式下，计数器为单向加 1 计数器，一旦寄存器 TCNT0 的值和 OCR0 的设定值相等（此时寄存器 OCR0 为计数的上限），就将 TCNT0 清0，继续加 1 计数，输出比较匹配， OCF0 的值设置为 1 ，申请中断。
  • OC0输出波形的最高频率为 foc0 = fclk / 2 ,(OCR0 = 0X00)
    
    • 下式中 N 的取值为 1 , 8 , 64 , 256 , 1024

fco0=fclk2N(1+OCR0)

• 3）快速PWM模式（WGM[1：0] = 3）：
  
  • T / C0工作在快速PWM模式下可以产生较高频率的PWM波形
  • 计数器为单向加 1 计数器。从 0x00 加到 0xff ,下一个脉冲置为 0x00。
  • 快速PWM模式采用单程计数，因此可以产生比相位可调PWM模式高 1 倍频率的PWM波
  • OC0输出的PWM波形频率输出由下式决定：
    
    • 下式中 N 的取值为 1 , 8 , 64 , 256 , 1024

fco0pwm=fclk256N

• 4) 相位可调PWM模式（WGM[1：0] = 1）:
  
  • 相位可调PWM模式可以产生高精度的相位可调的PWM波形
  • 计数器为双程计数器
  • 先从0x00到0xff向上加 1 ,再下一次脉冲到来的时候改变计数方向，从0xff到0x00向下减 1 。在COM[1：0] = 2时，向上计数过程中比较匹配时，清零OC0；向下计数过程中比较匹配时，置位OC0；在COM[1：0] = 3时，向上计数过程中比较匹配时，置位OC0；向下计数过程中比较匹配时，清零OC0。
  • 在相位可调PWM模式下， OC0输出的PWM波形频率输出由下式决定：
    
    • 下式中 N 的取值为 1 , 8 , 64 , 256 , 1024

fco0pcpwm=fclk510N

二、8位定时/计数器的简单应用

• WINAVR平台
  
  • 

/***作者：Dandri*时间：2017/02/01*MCU:ATMega16*频率：8MHz*功能：LED灯不断亮灭，每次亮灭间隔时间为1S*/#include <avr/io.h>#include <avr/interrupt.h>unsigned char flag = 0;         //等待1ms完成标志//端口初始化void port_init(){   PORTA = 0X00;   DDRA = 0X01;}//tc0相关寄存器初始化void tc0_init(){   TCNT0 = 0X00;            //计数寄存器清0   TIMSK = 0X02;            //T/C0比较匹配允许   TCCR0 = 0X0B;            //0000 1011 CTC模式，OC0不接PB3，64分频   OCR0 = 0X7D;             //晶振8M，64分频，延时1ms需要计数8000000/(1000*64) = 125次}//中断向量区程序#pragma interrupt_handler tc0_isr:20   //首先使用#pragma interrupt_handler int0_isr:20声明中断,20表示中断向量号void tc0_isr(void){   flag = 1;}//延时函数，延时1msvoid delay(long c){   for (;c > 0;c--)   {      flag = 0;       TCNT0 = 0X00;         //计数寄存器清0      while(!flag)     asm("nop");   }}//亮灯程序void led(void) {   PORTA = 0X01;   delay(1000);   PORTA = 0X00;   delay(1000);}int main(){    port_init();   tc0_init();   while (1)      led();   return 0;}

三、PWM脉宽调制波

3.1 PWM脉宽调制波

• PWM实际上是脉宽调制的简称。*PWM也是一个连续的方波，但是，在一个周期中，其高电平和低电平的占空比是不同的。*
• 如图：T 是 PWM 波的周期，T1 是高电平的宽度，Vcc是高电平值。当PWM波通过一个积分器（低通滤波器）之后，可以得到平均的输出电压为：
  
  • 
  • T1 / T 为 PWM 波的占空比。调节 T1 的宽度可以改变 PWM 的不同占空比，得到不同的平均输出电压值。
    
    • 实现D/A转换
    • 调节电压或电流控制电机转速
    • 实现变频控制

V=Vcc∗T1T

• 一个PWM方波的参数有：频率，占空比为主要因素，相位为次要因素
• 根据PWM的特点，在使用AVR定时/计数器的时候应该注意以下几点：
  
  • 根据实际情况，确定 PWM 的频率范围
  • 考虑占空比的调节精度
  • 因为PWM本身还是数字脉冲波，则需要一个好的积分电路，将高频有效的成分去掉，从而获得较好的模拟信号

• ATMega16 的 T / C0 和 T / C2 都可以产生PWM波，因为计数器是8位的，所以是固定 8 位精度的PWM波发生器。

• 快速 PWM 波模式：可以得到频率较高，相位固定的PWM输出，适合一些要求输出PWM频率较高、频率相位固定的应用中

  • 其频率计算公式为：
  PWM频率=系统时钟频率分频系数∗256

• 相位可调PWM模式：此时计数器工作在双向计数方式，适用于 PWM 频率较低，频率固定的应用中。

  • 其频率计算公式为：
  PWM频率=系统时钟频率分频系数∗510

• T / C0 和 T / C2 两种PWM模式都输出固定8位的PWM波，计数器 TCNTn 的上限值为固定的0XFF，而比较寄存器 OCRn 的值与计数器上限值之比即为占空比！！！

4.2 PWM 应用实例

• WINAVR 平台：

/***作者：Dandri*时间：2017/02/01*MCU:ATMega16*频率：8MHz*功能：在 PB3 引脚输出频率为1000HZ的正弦波模拟信号*/#include <avr\io.h> #pragma data:code // 128点正弦波样本表 const unsigned char auc_SinParam[128] = { 64,67,70,73,76,79,82,85,88,91,94,96,99,102,104,106,109,111,113,115,117,118,120,121, 123,124,125,126,126,127,127,127,127,127,127,127,126,126,125,124,123,121,120,118, 117,115,113,111,109,106,104,102,99,96,94,91,88,85,82,79,76,73,70,67,64,60,57,54,51,48, 45,42,39,36,33,31,28,25,23,21,18,16,14,12,10,9,7,6,4,3,2,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,2,3,4,6, 7,9,10,12,14,16,18,21,23,25,28,31,33,36,39,42,45,48,51,54,57,60}; #pragma data:data unsigned char x_SW = 8,X_LUT = 0; #pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:17 void timer0_ovf_isr(void) {    X_LUT += x_SW; // 新样点指针    if (X_LUT > 127) X_LUT -= 128; // 样点指针调整    OCR0 = auc_SinParam[X_LUT]; // 取样点指针到比较匹配寄存器 } void main(void) {    DDRB |= 0x08; // PB3(OC0)输出    TCCR0 = 0x71; // 相位调整PWM模式，分频系数=1，正向控制OC0    TIMSK = 0x01; // T/C0溢出中断允许    asm("SEI"); // 使能全局中断    while(1)       asm("nop"); } 

四、16位定时/计数器 T / C1

4.1 16位定时/计数器 T / C1的主要特点

• 真正 16 位设计
• 2 个独立的输出比较匹配单元
• 双缓冲输出比较寄存器
• 1 个输入捕捉单元
• 比较匹配清 0 计数器（自动重装特性）
• 可产生无抖动的、相位可调的脉宽调制信号（PWM）输出
• 周期可调的 PWM 波形输出
• 频率发生器
• 外部事件计数器
• 10 位时钟预分频器
• 4 个独立的中断源（TOCV1 , OCFIA , OCFIB , ICF1）

4.2 16位定时/计数器 T / C1增强功能介绍

• 是十六位计数器，配合一个独立的十位预定比例分频器，在系统时钟为 4 MHz 的条件下，精度可达0.25us，最长时间宽度为16.777216 s（精度为256us）
• 十六位寄存器 TCNT1 实际上是由 2 个 8 位寄存器 TCNT1H 和 TCNT1L 组成的
• 16位定时/计数器 T / C1的读/写操作
  
  • 读操作：
    
    • 读取 16 位寄存器低 8 位时，16 位寄存器低 8 位被送到 MCU ,高 8 位放到临时辅助寄存器 TEMP 中；读取高 8 位时，读到的是 TEMP 中的内容。因此，同步读取 16 位寄存器，应该先读取低字节，再读取高字节！！！
  • 写操作：
    
    • 当 MCU 写入数据到 16 位寄存器的高字节时，数据先写入 TEMP ；当 MCU 写入数据到 16 位寄存器的低字节时，写入的 8 位数据与 TEMP 中的 8 位数据组合为一个 16 位数据。，因此，要同步写入 16 位寄存器，应该先写入该寄存器的高位字节，再写入低位字节！！！

4.3 输入捕捉功能

• T / C1的输入捕捉功能是 AVR 定时/计数器特有的功能。可用于精确捕捉一个外部事件的发生。记录事件发生的时间印记。捕捉信号由引脚 ICP1 输入，或者由模拟比较器的 AC0 单元的输出信号也可作为外部事件捕获的触发信号。
• 当一个捕捉事件发生时， T / C1 的计数器 TCNT1 中的计数值被写入输入捕捉寄存器 ICR1 中，并置位输入捕获标志位 ICF1 ，产生中断申请。
• 输入捕捉可用于频率和周期的精确测量！