AVRr單片機(jī)：第8章 定時(shí)計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

1、第 8 章 定時(shí)計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用 第 8 章 定時(shí)計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用定時(shí)計(jì)數(shù)器（Timer/Counter）是單片機(jī)中最基本的接口之一，它的用途非常廣泛，常用于計(jì)數(shù)、延時(shí)、測(cè)量周期、頻率、脈寬、提供定時(shí)脈沖信號(hào)等。相對(duì)于一般 8 位單片機(jī)而言，AVR 不僅配備了更多的定時(shí)計(jì)數(shù)器接口，而且還是增強(qiáng)型的，如通過(guò)定時(shí)計(jì)數(shù)器與比較匹配寄存器相互配合，生成占空比可變的方波信號(hào)，即脈沖寬度調(diào)制輸出 PWM 信號(hào)，用于 D/A、馬達(dá)無(wú)級(jí)調(diào)速控制、變頻控制等，功能非常強(qiáng)大。 ATmega16 一共配置了 2個(gè) 8 位和1個(gè) 16 位，共3 個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，它們是 8 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器 T/C0、T/C2 和16

2、 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器 T/C1。8.1 定時(shí)計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu) 定時(shí)計(jì)數(shù)器最基本的功能就是對(duì)脈沖信號(hào)“自動(dòng)”進(jìn)行計(jì)數(shù)。這里所謂的“自動(dòng)”，指計(jì)數(shù)的過(guò)程是由硬件完成的，不需要 MCU的干預(yù)。但 MCU 可以通過(guò)指令設(shè)置定時(shí)計(jì)數(shù)器的工作方式，以及根據(jù)定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值或工作狀態(tài)做必要的處理和響應(yīng)。 學(xué)習(xí)和使用定時(shí)計(jì)數(shù)器時(shí)，必須注意以下的基本要素： 定時(shí)計(jì)數(shù)器的長(zhǎng)度。 脈沖信號(hào)源。 計(jì)數(shù)器類(lèi)型。計(jì)數(shù)器類(lèi)型是指計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)運(yùn)行方式，可分為加一（減一）計(jì)數(shù)器，單程計(jì)數(shù)或雙向計(jì)數(shù)等。 計(jì)數(shù)器的上下限。計(jì)數(shù)器的事件。計(jì)數(shù)器的事件指計(jì)數(shù)器處于某種狀態(tài)時(shí)的輸出信號(hào)，該信號(hào)通?？梢韵?MCU 申請(qǐng)中斷。如當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到達(dá)計(jì)

3、數(shù)上限值 255時(shí)，產(chǎn)生“溢出”信號(hào)，向 MCU 申請(qǐng)中斷。 8.1.1 8 位定時(shí)計(jì)數(shù)器T/C0 的結(jié)構(gòu) ATmega16 中有兩個(gè) 8 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器：T/C0、T/C2，它們都是通用的多功能定時(shí)計(jì)數(shù)器，其主要特點(diǎn)是： 單通道計(jì)數(shù)器。 比較匹配時(shí)清零計(jì)數(shù)器（自動(dòng)重裝特性，Auto Reload）。 可產(chǎn)生無(wú)輸出抖動(dòng)（glitch-free）的，相位可調(diào)的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)輸出。 頻率發(fā)生器。 外部事件計(jì)數(shù)器（僅 T/C0）。 帶 10 位的時(shí)鐘預(yù)分頻器。 溢出和比較匹配中斷源（TOV0、OCF0 和TOV2、OCF2）。 允許使用外部引腳的 32768Hz 手表晶振作為獨(dú)立的計(jì)數(shù)時(shí)鐘源

4、（僅 T/C2）。 1T/C0 的組成結(jié)構(gòu) T/C0 的時(shí)鐘源2與8 位 T/C0 相關(guān)的寄存器(1)2與8 位 T/C0 相關(guān)的寄存器(2)2與8 位 T/C0 相關(guān)的寄存器(3)2與8 位 T/C0 相關(guān)的寄存器(4)2與8 位 T/C0 相關(guān)的寄存器(5)8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-1普通模式（WGM01:0=0）-溢出中斷（同51）普通模式是 T/C0 最簡(jiǎn)單和基本的一種工作方式。T/C0 工作在普通模式下時(shí)，計(jì)數(shù)器為單向加 1 計(jì)數(shù)器，一旦寄存器 TCNT0 的值到達(dá)0 xFF（上限值） ，在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)便恢復(fù)為 0 x00， 并繼續(xù)單向加 1 計(jì)數(shù)。 當(dāng) TCN

5、T0 由0 xFF 轉(zhuǎn)變?yōu)? x00 的同時(shí)， 溢出標(biāo)志位 TOV0置位為“1” ，用于申請(qǐng) T/C0 溢出中斷。一旦 MCU 響應(yīng) T/C0 的溢出中斷，硬件則將自動(dòng)把TOV0 清零。在普通模式中，同樣可以使用比較匹配功能產(chǎn)生定時(shí)中斷，但最好不要在普通模式下使用輸出比較單元來(lái)產(chǎn)生 PWM 波形輸出，因?yàn)檫@將占用過(guò)多的 MCU 的時(shí)間。 8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-2（1）比較匹配清零計(jì)數(shù)器 CTC 模式（WGM01:0=2）主要用于從OCn輸出頻率可調(diào)的方波（占空比1/2不變）8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-2（2）T/C0 工作在 CTC 模式下時(shí)，計(jì)數(shù)器為單向加 1

6、計(jì)數(shù)器，一旦寄存器 TCNT0 的值與 OCR0的設(shè)定值相等（此時(shí)寄存器 OCR0 的值為計(jì)數(shù)上限值） ，就將計(jì)數(shù)器 TCNT0 清零為 0 x00，然后繼續(xù)向上加 1 計(jì)數(shù)。通過(guò)設(shè)置 OCR0 的值，可以方便地控制比較匹配輸出的頻率。在 CTC 模式下利用比較匹配輸出單元產(chǎn)生波形輸出時(shí)， 應(yīng)設(shè)置 OC0 的輸出方式為觸發(fā)方式（COM01:0=1） 。OC0 輸出波形的最高頻率為 fOC0=fclk_I/O/2（OCR0=0 x00） 。其他的頻率輸出由下式確定，式中 N 的取值為1、8、64、256 或1024。 除此之外，與普通模式相同，當(dāng) TCNT0 計(jì)數(shù)值由0 xFF 轉(zhuǎn)到 0 x00

7、 時(shí)，標(biāo)志位 TOV0 置位。 8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-3（1）快速 PWM 模式（WGM01:0=3）主要用于從Ocn輸出頻率、占空比均可調(diào)的信號(hào)8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-3（2）T/C0 工作在快速 PWM 模式可以產(chǎn)生較高頻率的 PWM 波形。 當(dāng) T/C0 工作在此模式下時(shí)，計(jì)數(shù)器為單程向上的加 1計(jì)數(shù)器，從 0 x00 一直加到 0 xFF（上限值），在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)便恢復(fù)為0 x00， 然后再?gòu)? x00開(kāi)始加1計(jì)數(shù)。在設(shè)置正向比較匹配輸出 （COM01:0=2）方式中，當(dāng) TCNT0 的計(jì)數(shù)值與 OCR0 的值相同匹配時(shí)清零 OC0，當(dāng)計(jì)數(shù)器的

8、值由 0 xFF 返回0 x00 時(shí)置位 OC0。而在設(shè)置反向比較匹配輸出（COM01:0=3）方式中，當(dāng) TCNT0 的計(jì)數(shù)值與 OCR0 的值相同匹配時(shí)置位 OC0，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值由 0 xFF 返回 0 x00 時(shí)清零 OC0。8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-3（3）在 TCNT0 的計(jì)數(shù)值到達(dá) 0 xFF 時(shí)，置溢出標(biāo)志位 TOV0 為“1” 。標(biāo)志位 TOV0 可以用于申請(qǐng)中斷。一旦 MCU 響應(yīng)TOV0 中斷，用戶(hù)可以在中斷服務(wù)程序中修改 OCR0的值。 OC0 輸出的PWM 波形的頻率輸出由下式確定，式中 N 的取值為 1、8、64、256 或1024。 通過(guò)設(shè)置寄存器 O

9、CR0 的值，可以獲得不同占空比的脈沖波形。8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-4（1）相位可調(diào) PWM 模式（WGM01:0=1）8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-4（2）主要用于從Ocn輸出頻率、占空比均可調(diào)的高精度相位可調(diào)的 PWM 波形，輸出頻率是快速PWM的一半。當(dāng) T/C0 工作在此模式下時(shí)，計(jì)數(shù)器為雙程計(jì)數(shù)器：從 0 x00 一直加到 0 xFF，在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到達(dá)時(shí)，改變計(jì)數(shù)方向，從 0 xFF 開(kāi)始減 1 計(jì)數(shù)到 0 x00。設(shè)置正向比較匹配輸出（COM01:0=2）方式：在正向加 1過(guò)程中，TCNT0 的計(jì)數(shù)值與 OCR0 的值相同匹配時(shí)清零 OC0；在反向減

10、1 過(guò)程中，當(dāng)計(jì)數(shù)器TCNT0 的值與 OCR0 相同時(shí)置位 OC0。設(shè)置反向比較匹配輸出（COM01:0=3）方式：在正向加 1 過(guò)程中，TCNT0 的計(jì)數(shù)值與 OCR0的值相同匹配時(shí)置位 OC0；在反向減1 過(guò)程中，當(dāng)計(jì)數(shù)器 TCNT0 的值與 OCR0 相同時(shí)清零 OC0。8.1.2 8 位T/C0 的工作模式-4（3）在 TCNT0 的計(jì)數(shù)值到達(dá) 0 x00 時(shí)，置溢出標(biāo)志位 TOV0 為“1” 。標(biāo)志位 TOV0 可以用于申請(qǐng)溢出中斷。 在相位可調(diào) PWM 模式下，OC0 輸出的 PWM 波形頻率由下式確定，式中 N 的取值為 1、8、64、256 或1024。通過(guò)設(shè)置寄存器 OCR

11、0 的值，可以獲得不同占空比的脈沖波形。 8.2 8 位定時(shí)計(jì)數(shù)器T/C0 的應(yīng)用（1） 8.2.1 外部事件計(jì)數(shù)器 例 8.1 N 分頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)一 ：將外部的 250Hz 的方波信號(hào)輸出與 ATmega16 的 T0連接，作為 T/C0 計(jì)數(shù)器的外部輸入。從 PA0 輸出一個(gè)1Hz的方波。 （采用普通模式：溢出中斷）例 8.2 N 分頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)二 ：將外部的 250Hz 的方波信號(hào)輸出與 ATmega16 的 T0連接，作為 T/C0 計(jì)數(shù)器的外部輸入。從 PA0 輸出一個(gè)1Hz的方波。（采用CTC模式：比較匹配中斷）例8.3 對(duì)從T0輸入的250Hz 的方波信號(hào)5分頻，從PA0 輸出。（采

12、用普通模式：溢出中斷+比較匹配中斷）8.2 8 位定時(shí)計(jì)數(shù)器T/C0 的應(yīng)用（2） 8.2.2 定時(shí)器應(yīng)用設(shè)計(jì) 8.2.2 定時(shí)器應(yīng)用設(shè)計(jì)例 8.4 采用T/C0 硬件定時(shí)器的時(shí)鐘系統(tǒng)（采用CTC模式：比較匹配中斷）例 8.5的思考與實(shí)踐 如果系統(tǒng)需要一個(gè)頻率為 50Hz 左右 50%占空比的方波信號(hào)，那么應(yīng)該 T/C2、OCR2如何設(shè)置和計(jì)算？理論上的輸出頻率是多少？與 50Hz 的誤差是多少（假定系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 4M） 。（采用CTC模式：OCn輸出，不用中斷）習(xí)題（普通模式和CTC模式）利用T/C0的普通模式，從PA0引腳輸出一個(gè)頻率為10KHz的方波。（假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHZ）利用T/

13、C0的CTC模式，從PA0引腳輸出一個(gè)頻率為10KHz的方波。（假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHZ）利用T/C0的CTC模式，從OC0引腳輸出一個(gè)頻率為10KHz的方波。（假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHZ）利用T/C0輸出一個(gè)頻率為2MHz的方波。（假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHZ）小結(jié)（普通模式和CTC模式）總結(jié)：要利用定時(shí)器輸出方波（占空比為1/2）時(shí)，最好是采用CTC模式，OCRn輸出，不用中斷的方法。它具有編程簡(jiǎn)單，頻率精度高，能產(chǎn)生高頻率的信號(hào)（最高頻率為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的一半）等特點(diǎn)。 8.3 PWM脈寬調(diào)制波的產(chǎn)生和應(yīng)用 8.3.1 PWM脈寬調(diào)制波 PWM 是脈沖寬度調(diào)制的簡(jiǎn)稱(chēng)。實(shí)際上，PWM 波也是一個(gè)連續(xù)的方

14、波，但在一個(gè)周期中，其高電平和低電平的占空比是不同的。一個(gè)典型 PWM 的波形如圖 8-15所示。 PWM脈寬調(diào)制波 在圖中，T是 PWM 波的周期，T1 是高電平的寬度，Vcc 是高電平值。當(dāng)該 PWM 波通過(guò)一個(gè)積分器后（低通濾波器）后，我們可以得到其輸出的平均電壓為： 式中，T1/T稱(chēng)為 PWM 波的占空比。控制調(diào)節(jié)和改變 T1 的寬度，即改變 PWM 的占空比，就可以的到不同的平均電壓輸出。T/CO、T/C2 兩種 PWM 模式都是固定 8 位的 PWM，計(jì)數(shù)器 TCNTn 的上限值為固定的 0 xFF（8 位T/C） ，而比較匹配寄存器 OCRn 的值與計(jì)數(shù)器上限值之比即為占空比。P

15、WM脈寬調(diào)制波RC低通濾波器設(shè)計(jì)：截止頻率f=1/(2RC)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，常利用 PWM 波的輸出， 實(shí)現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)電壓或電流控制改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變頻控制等功能。8.3.2 基于比較匹配輸出的脈沖寬度調(diào)制PWM補(bǔ)充：利用T/C0，產(chǎn)生一個(gè)頻率為15.625KHz，占空比為1/5的PWM波。（采用快速PWM模式，假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHZ）補(bǔ)充：利用T/C0，產(chǎn)生一個(gè)頻率為7.843KHz，占空比為1/4的PWM波。（采用相位可調(diào)PWM模式，假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHZ）8.3.2 基于比較匹配輸出的脈沖寬度調(diào)制PWM例8.6 利用T/C0 的PWM 功能產(chǎn)生正弦波。設(shè)計(jì)思路一個(gè)周期的

16、PWM波經(jīng)濾波后會(huì)得到一點(diǎn)電壓（即正弦波的一個(gè)點(diǎn)）。一個(gè)正弦波由多點(diǎn)組成，即由多個(gè)同頻率的不同占空比的PWM周期組成。若一個(gè)正弦波由16點(diǎn)組成，且PWM波的周期為T(mén)（頻率為f），則產(chǎn)生的正弦波的周期為16T （頻率為f/16）。采用ATMEGA16的T/C0，系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHz，分頻系數(shù)為1，則f oc0 PWM =f/(256N)=4M/256=15625Hz，一個(gè)正弦波由16點(diǎn)組成，所以正弦波的頻率為15625Hz/16=976.56Hz.波形圖思考題：如何產(chǎn)生一個(gè)頻率為244Hz的鋸齒波？ 上機(jī)實(shí)踐題利用一片ATMEGA16同時(shí)實(shí)現(xiàn)下面的要求：利用T/C0，產(chǎn)生一個(gè)頻率為 5KHz 左右

17、 50%占空比的方波信號(hào)（提示：采用CTC模式：OC0輸出，不用中斷）利用T/C2，產(chǎn)生一個(gè)頻率為31.25KHz，占空比從0變化到1的PWM波。（提示：采用快速PWM模式，在溢出中斷中調(diào)OC2即調(diào)占空比,由OC2輸出 ）#include interrupt TIM2_OVF void timer2_ovf_isr(void) OCR2-;void main(void)PORTB=0 x00;DDRB=0 x08;PORTD=0 x00;DDRD=0 x80;TCCR0=0 x1A;TCNT0=0 x00;OCR0=0 x63;TCCR2=0 x69;TCNT2=0 x00;OCR2=0 x0

18、0;TIMSK=0 x40;#asm(sei)while (1); T/C2分頻系數(shù)8.4 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器T/C1 的應(yīng)用 8.4.1 16 位T/C1 增強(qiáng)功能介紹16 位的計(jì)數(shù)器16 位寄存器的讀寫(xiě)操作步驟(采用C等高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序則可以直接對(duì)16位的寄存器進(jìn)行操作)更加強(qiáng)大和完善的 PWM 功能可產(chǎn)生頻率、相位均可調(diào)整的 PWM波。可同時(shí)產(chǎn)生 2 路相同頻率不同占空比的 PWM 波 輸入捕捉功能 T/C1相關(guān)寄存器（1）T/C1控制寄存器A TCCR1AT/C1相關(guān)寄存器（2）T/C1相關(guān)寄存器（3） Bit 1:0 WGM11:0: 波形發(fā)生模式 T/C1相關(guān)寄存器（4） Bit

19、1:0 WGM11:0: 波形發(fā)生模式T/C1相關(guān)寄存器（5）T/C1控制寄存器B TCCR1B Bit 7 ICNC1: 入捕捉噪聲抑制器：置位 ICNC1 將使能輸入捕捉噪聲抑制功能。 Bit 6 ICES1: 輸入捕捉觸發(fā)沿選擇：該位選擇使用 ICP1 上的哪個(gè)邊沿觸發(fā)捕獲事件。 ICES 為 “0” 選擇的是下降沿觸發(fā)輸入捕捉； ICES1 為 “1” 選擇的是邏輯電平的上升沿觸發(fā)輸入捕捉。Bit 2:0 CS12:0: 時(shí)鐘選擇T/C1相關(guān)寄存器（6）T/C1 TCNT1H 與 TCNT1LT/C1相關(guān)寄存器（7）輸出比較寄存器1AOCR1AH與 OCR1AL輸出比較寄存器1BOCR

20、1BH與OCR1BLT/C1相關(guān)寄存器（8）輸入捕捉寄存器1 ICR1H與ICR1LT/C1中斷屏蔽寄存器TIMSKT/C1相關(guān)寄存器（9）T/C中斷標(biāo)志寄存器 TIFR普通模式普通模式 (WGM13:0 = 0) 為最簡(jiǎn)單的工作模式。在此模式下計(jì)數(shù)器不停地累加。計(jì)到最大值后 (TOP = 0 xFFFF) 由于數(shù)值溢出計(jì)數(shù)器簡(jiǎn)單地返回到最小值 0 x0000 重新開(kāi)始。CTC( 比較匹配時(shí)清零定時(shí)器 )模式在CTC模式(WGM13:0 = 4 或12)里OCR1A 或ICR1寄存器用于調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器的分辨率。當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)值TCNT1等于OCR1A(WGM13:0 = 4)或等于ICR1 (WGM13:0 = 12)時(shí)計(jì)數(shù)器清零。 OCR1A 或 ICR1 定義了計(jì)數(shù)器的 TOP 值，亦即計(jì)數(shù)器的分辨率。用于產(chǎn)生占空比為50%的波形，OCnA和OCnB可獨(dú)立或同時(shí)工作。頻率由如下公式確定： 變量 N 代表預(yù)分頻因子 (1、 8、 64、 256 或 1024)?？焖?PWM 模式快速 PWM 模式 (WGM13:0 = 5、 6、 7、 14 或 15) 可用來(lái)產(chǎn)生高頻的 PWM 波形。計(jì)數(shù)器從BOTTOM計(jì)到TOP，然后立即回到BOTTOM重新開(kāi)始。輸出的 PWM 頻率可以通過(guò)如下公式計(jì)算得到： 變量 N 代表分頻因子 (1、 8、 64、 256 或 1024)。選