AVR定時(shí)/計(jì)數(shù)器應(yīng)用設(shè)計(jì)

定時(shí)/計(jì)數(shù)器（Timer/counter）是單片機(jī)芯片中最基本的外圍接口，它的用途非常廣泛，常用于測(cè)量時(shí)間、速度、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，功能非常強(qiáng)大。ATmega128一共配置了2個(gè)8位和2個(gè)16位，共4個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)它的一些增強(qiáng)功能的應(yīng)用做基本的介紹。

5.9.1預(yù)分頻器
定時(shí)/計(jì)數(shù)器最基本的功能就是對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿后（8位為255，16位為65535），再來(lái)一個(gè)脈沖它就翻轉(zhuǎn)到0，并產(chǎn)生中斷信號(hào)。同其他單片機(jī)類似，AVR的定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖可以來(lái)自外部的引腳，也可以由從內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘獲得；但AVR的定時(shí)/計(jì)數(shù)器在內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘和計(jì)數(shù)單元之間增加了一個(gè)預(yù)分頻器，利用預(yù)分頻器，定時(shí)/計(jì)數(shù)器可以從內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘獲得不同頻率的信號(hào)。表5-1為系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHz使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的最高計(jì)時(shí)精度和時(shí)寬范圍。

表5-1T/C0計(jì)時(shí)精度和時(shí)寬（系統(tǒng)時(shí)鐘4MHz）
分頻系數(shù)計(jì)時(shí)頻率最高計(jì)時(shí)精度（TCNT0=255）最寬時(shí)寬（TCNT0=0）
14MHz0.25us64us
8500KHz2us512us
32125KHz8us2.048ms
6462.5KHz16us4.096ms
12831.25KHz32us8.192ms
25615.625KHz64us16.384ms
10243906.25Hz256us65.536ms

從表中看出，在系統(tǒng)時(shí)鐘為4MHz時(shí)，8位的T/C0最高計(jì)時(shí)精度為0.25us，最長(zhǎng)的時(shí)寬可達(dá)到65.536ms。而使用16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器時(shí)，不需要輔助的軟件計(jì)數(shù)器，就可以非常方便的設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)16.777216秒（精度為256us）的定時(shí)器，這對(duì)于其它的8位單片機(jī)是做不到的。
AVR單片機(jī)的每一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器都配備獨(dú)立的、多達(dá)10位的預(yù)分頻器，由軟件設(shè)定分頻系數(shù)，與8/16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器配合，可以提供多種檔次的定時(shí)時(shí)間。使用時(shí)可選取最接近的定時(shí)檔次，即選8/16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器與分頻系數(shù)的最優(yōu)組合，減少了定時(shí)誤差。所以，AVR定時(shí)/計(jì)數(shù)器的顯著特點(diǎn)之一是：高精度和寬時(shí)范圍，使得用戶應(yīng)用起來(lái)更加靈活和方便。此外，AVR的USART、SPI、I2C、WDT等都不占用這些定時(shí)/計(jì)數(shù)器。

5.9.2輸入捕捉功能
ATmega128的兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（T/C1、T/C3）具有輸入捕捉功能，它是AVR定時(shí)/計(jì)數(shù)器的又一個(gè)顯著的特點(diǎn)。其基本作用是當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，立即將定時(shí)/計(jì)數(shù)器的值鎖定在輸入捕捉寄存器中（定時(shí)/計(jì)數(shù)器保持繼續(xù)運(yùn)行）。利用輸入捕捉功能，可以對(duì)一個(gè)事件從發(fā)生到結(jié)束的時(shí)間進(jìn)行更加精確，如下面的示例中精確測(cè)量一個(gè)脈沖的寬度。
測(cè)量一個(gè)脈沖的寬度，就是測(cè)量脈沖上升沿到下降之間的時(shí)間。不使用輸入捕捉功能，一般情況往往需要使用兩個(gè)外圍部件才能完成和實(shí)現(xiàn)。如使用1個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器加1個(gè)外部中斷（或模擬比較器）：定時(shí)/計(jì)數(shù)器用于計(jì)時(shí)；而外部中斷方式設(shè)置成電平變化觸發(fā)方式，用于檢測(cè)脈沖的上升和下降沿。當(dāng)外部中斷輸入電平由低變高，觸發(fā)中斷，讀取時(shí)間1；等到輸入電平由高變低時(shí)，再次觸發(fā)中斷，讀取時(shí)間2；兩次時(shí)間差既為脈沖寬度。這種實(shí)現(xiàn)方式不僅多占用了一個(gè)單片機(jī)的內(nèi)部資源，而且精度也受到中斷響應(yīng)時(shí)間的限制。因?yàn)橐坏┲袛喟l(fā)生，MCU響應(yīng)中斷需要時(shí)間，在中斷中可能要進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹袛喱F(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，才能讀取時(shí)間值。而此時(shí)的時(shí)間值比中斷發(fā)生的時(shí)間已經(jīng)滯后了。
而使用ATmega128的1個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，再配合其輸入捕捉功能來(lái)測(cè)量脈沖的寬度就非常方便，下面是實(shí)現(xiàn)的程序示例。

#include

#defineICP1 PIND.4 //脈沖輸入由ICP1（Pind.4）輸入

unsignedcharov_counter;
unsignedintrising_edge,falling_edge;
unsignedlongpulse_clocks;

interrupt[TIM1_OVF]voidtimer1_ovf_isr(void) //T/C1溢出中斷
{
ov_counter++; //記錄溢出次數(shù)
}

interrupt[TIM1_CAPT]voidtimer1_capt_isr(void) //T/C1捕捉中斷
{
if(ICP1)
{ //上升沿中斷
rising_edge=ICR1; //記錄上升沿開始時(shí)間
TCCR1B=TCCR1B&0xBF; //設(shè)置T/C1為下降沿觸發(fā)捕捉
ov_counter=0; //清零溢出計(jì)數(shù)器
}
else
{ //下降沿中斷
falling_edge=ICR1; //記錄下降沿時(shí)間
TCCR1B=TCCR1B|0x40; //設(shè)置T/C1為上升沿觸發(fā)捕捉
pulse_clocks=(unsignedlong)falling_edge-(unsignedlong)rising_edge
+(unsignedlong)ov_counter*0x10000/500; //計(jì)算脈沖寬度
}
}

voidmain(void)
{
TCCR1B=0x42; //初始化T/C1，1/8分頻，上升沿觸發(fā)捕捉
TIMSK=0x24; //允許T/C1溢出和捕捉中斷
#asm("sei")

while(1)
{………
};
}
這段程序是在CVAVR中實(shí)現(xiàn)的。在T/C1的捕捉中斷中，先檢查ICP1的實(shí)際狀態(tài)，以確定是出現(xiàn)了上升沿還是下降沿信號(hào)。如果中斷是由上升沿觸發(fā)的（ICP1為高電平），程序便開始一次脈沖寬度的測(cè)量：記錄下上升沿出現(xiàn)的時(shí)間，把T/C1的捕捉觸發(fā)方式改為下降沿觸發(fā)，并清空溢出計(jì)數(shù)器。如果中斷由下降沿觸發(fā)（ICP1為低電平），表示到達(dá)脈沖的未端，程序記錄下降沿出現(xiàn)時(shí)間，計(jì)算出脈沖的寬度，再將T/C1的捕捉觸發(fā)方式改為上升沿觸發(fā)，以開始下一次的測(cè)量。
脈沖的實(shí)際寬度（毫秒格式）是根據(jù)T/C1的計(jì)數(shù)時(shí)鐘個(gè)數(shù)來(lái)計(jì)算的。本例中T/C1的計(jì)數(shù)時(shí)鐘是系統(tǒng)時(shí)鐘（4MHz）的8分頻，即500KHz，相應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖寬度為2us。因此計(jì)算出從上升沿和下降沿之間總的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，除以500個(gè)脈沖（為1ms）即得到以毫秒為單位的被測(cè)脈沖寬度了。
可以看到，使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及配合它的捕捉功能測(cè)量脈沖寬度，不僅節(jié)省系統(tǒng)的硬件資源，編寫程序簡(jiǎn)單，而且精度也高，因?yàn)樽x到的上升沿和下降沿的時(shí)間就是其實(shí)際發(fā)生的時(shí)間。