如何在AVR MCU上選擇定時(shí)器 (Timer)

閱讀本文可以詳細(xì)了解 AVR? 微控制器 (MCU) 上不同的定時(shí)器周邊，以及如何為您的應(yīng)用選擇最佳的選項(xiàng)。
探索微控制器定時(shí)器的多樣性
定時(shí)器是微控制器中常見(jiàn)的周邊，每個(gè)定時(shí)器都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。有些定時(shí)器被設(shè)計(jì)用作波形產(chǎn)生的一部分，有些則非常適合脈沖計(jì)數(shù)，而選擇何種定時(shí)器取決于在各種情況下的需求和可用的資源。

定時(shí)器／計(jì)數(shù)器A 型 (TCA)
TCA 是一款針對(duì)產(chǎn)生脈寬調(diào)變 (PWM) 優(yōu)化的定時(shí)器。它可以在 16 位模式下運(yùn)行，以獲得高分辨率輸出，也可以在 2x 8 位模式下運(yùn)行，其中定時(shí)器的任何一半皆可獨(dú)立運(yùn)行。 計(jì)數(shù)器則持續(xù)運(yùn)作直到計(jì)數(shù)至 TOP 值。在這種情況下，計(jì)數(shù)器將重置為BOTTOM值 (零)，而雙斜率模式除外。在雙斜率模式下，計(jì)數(shù)器不會(huì)重置為零，而是向下計(jì)數(shù)至零來(lái)重置周期。 如下圖 1 所示。
 

為了產(chǎn)生 PWM，有比較通道檢查計(jì)數(shù)器是否符合或超過(guò)設(shè)定值。如果條件符合，相關(guān)的輸出就會(huì)變高。該定時(shí)器還支持雙緩沖，其中寫(xiě)入計(jì)數(shù)器的值將被保留，直到定時(shí)器觸發(fā)更新，但會(huì)因操作模式而異。借助事件系統(tǒng) (EVSYS)，可以實(shí)現(xiàn)更進(jìn)階的控制。例如，事件系統(tǒng)可用于閘控輸入、對(duì)事件邊緣進(jìn)行計(jì)數(shù)、控制計(jì)數(shù)方向 (向上或向下) 以及在各種條件下重新啟動(dòng)定時(shí)器。

定時(shí)器／計(jì)數(shù)器B型 (TCB)
TCB 是一款針對(duì)計(jì)時(shí) (Timing) 和擷取 (Capture) 進(jìn)行優(yōu)化的 16 位定時(shí)器。 TCB 可以在周期中斷模式下運(yùn)行，中斷在固定間隔發(fā)生。逾時(shí)檢查模式類(lèi)似，只是定時(shí)器可以透過(guò) EVSYS 輸入重置。 TCB 也可以作為單次定時(shí)器運(yùn)作。對(duì)于較長(zhǎng)時(shí)間段，RTC/PIT 可能是比 TCB 更好的選擇。
擷取模式是指定時(shí)器“擷取”定時(shí)器內(nèi)計(jì)數(shù)的能力?？梢宰龊芎?jiǎn)單的運(yùn)用，例如自由運(yùn)行的定時(shí)器上發(fā)生輸入時(shí)，擷取兩個(gè)上升沿之間的時(shí)間長(zhǎng)度 (頻率測(cè)量) 或脈沖長(zhǎng)度 (脈沖寬度測(cè)量)。此外，兩個(gè) TCB 可以一起使用來(lái)創(chuàng)建真正的 32 位計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。
TCB 也可用作 8 位 PWM 產(chǎn)生器，如 TCA 中的單斜率模式。

定時(shí)器／計(jì)數(shù)器D型 (TCD)

TCD 是一款 12 位定時(shí)器，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可產(chǎn)生復(fù)雜的 PWM 波形，例如半橋和全橋輸出。 TCD內(nèi)部有兩個(gè)比較器：CMPA和CMPB。每個(gè)比較器都有一個(gè) SET 值和一個(gè) CLR 值。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到 SET 時(shí)，輸出處于作用中狀態(tài)。然后，當(dāng)達(dá)到 CLR 時(shí)，輸出將被停止。
TCD 支持四種操作模式：一斜坡、二斜坡、四斜坡和雙斜坡。這些名稱(chēng)代表計(jì)數(shù)器經(jīng)歷的周期數(shù)。四斜坡模式經(jīng)歷四個(gè)周期，依序重置 CMPASET、CMPACLR、CMPBSET 和 CMPBCLR。兩個(gè)斜坡模式經(jīng)歷兩個(gè)周期，依序在 CMPACLR 和 CMPBCLR 上重置。一斜坡模式僅在 CMPBCLR 上重置。最后，雙斜率模式向上計(jì)數(shù)到 CMPBCLR，然后向下計(jì)數(shù)到零。為了便于觀察目的，下圖的每個(gè)斜坡末端都位于相同的位置；但是，當(dāng)值不相等時(shí)，它們會(huì)有所不同。此外，未顯示的值（例如：?jiǎn)我恍逼履Ｊ较碌?CMPASET）仍然有效，但在此期間不發(fā)揮作用。

 
透過(guò)事件系統(tǒng)，TCD 還支持輸入遮蔽、數(shù)字濾波和多種故障模式用于清除輸出和/或暫停計(jì)數(shù)。 TCD 也可用于輸入擷取。此外，TCD 可與 PLL (鎖相環(huán)) 一起使用，使 TCD 能夠以高于主頻率的頻率運(yùn)作。

定時(shí)器／計(jì)數(shù)器E型 (TCE)及波形擴(kuò)充 (WEX)
TCE 是一款針對(duì)計(jì)時(shí)和 PWM 生成進(jìn)行優(yōu)化的 16 位上下定時(shí)器。 TCE 是一個(gè)可逆定時(shí)器，這意味著它可以根據(jù)方向在每個(gè)輸入上遞增或遞減。當(dāng) TCE 到達(dá)頂部時(shí)，載入的下一個(gè)值取決于該點(diǎn)的方向。如果它上升，那么它會(huì)滾動(dòng)到零。相同地，如果此時(shí)方向?yàn)橄蛳?，?jì)數(shù)器將卷動(dòng)到 TOP，而方向變更為向上會(huì)使定時(shí)器開(kāi)始遞增。
為了防止定時(shí)器周期中間出現(xiàn)時(shí)序干擾，TCE 支持雙緩沖，在比較操作發(fā)生時(shí)加載已變更的緩存器值。這允許使用者在定時(shí)器運(yùn)行時(shí)進(jìn)行更改。
TCE 具有多種用于產(chǎn)生波形的操作模式。這些模式與其他定時(shí)器的操作模式類(lèi)似。例如，TCE 支持一般定時(shí)器操作，以及單斜率 PWM、雙斜率 PWM 和頻率產(chǎn)生。為了提高 PWM 的輸出分辨率，TCE 具有高分辨率模式，可透過(guò)使用高速頻率訊號(hào)來(lái)提高 PWM 的分辨率。為了充分利用此功能，此訊號(hào)的速度應(yīng)至少比 CPU 速度快 4 倍。 TCE可以利用PLL來(lái)產(chǎn)生頻率訊號(hào)。
此外，TCE 還與 WEX 整合。 WEX 讓定時(shí)器產(chǎn)生互補(bǔ)輸出、插入死區(qū)時(shí)間、建立輸出樣式并處理硬件中的故障訊號(hào)。

定時(shí)器／計(jì)數(shù)器F型 (TCF)
TCF 是一款經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 24 位定時(shí)器，其作用類(lèi)似于數(shù)控振蕩器 (NCO)。 NCO 是一個(gè)數(shù)字模塊，主要由累加器、加法器和增量組成。每個(gè)頻率周期，都會(huì)將設(shè)定的增量加到累計(jì)總數(shù)中。當(dāng)累加器溢位時(shí)，余數(shù)將轉(zhuǎn)入累加器，并產(chǎn)生輸出。PLL 可以與 TCF 一起使用 (如果配備的話)。注意：TCF與系統(tǒng)周邊時(shí)鐘是異步運(yùn)行，提高了其靈活性；然而，這會(huì)導(dǎo)致讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)出現(xiàn)延遲。因此，TCF 更適合用于頻率生成，而不是精確計(jì)時(shí)。
在脈沖頻率模式下，累加器輸出用于設(shè)定輸出，然后在固定數(shù)量 (由使用者設(shè)定) 的頻率周期后，輸出被清除。在固定占空比模式下，累加器輸出訊號(hào)切換輸出正反器，產(chǎn)生 50% 的占空比。

實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 (RTC) 和周期性中斷定時(shí)器 (PIT)
RTC 提供兩種計(jì)時(shí)功能：實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器 (RTC) 和周期性中斷定時(shí)器 (PIT)。兩個(gè)接口設(shè)備共享相同的頻率源：32.768 kHz 外部晶振，或內(nèi)部超低功耗 32.768 kHz 振蕩器，彼此獨(dú)立運(yùn)作。使用晶體振蕩器時(shí)，RTC 可以修正高達(dá) ±127 PPM 的誤差。頻率源可以透過(guò) 15 位預(yù)分頻器按比例縮小。
RTC 可以在比較匹配和溢位時(shí)產(chǎn)生中斷，而PIT 可以在2 的冪次頻率周期 (例如，2/4/8/…/32768) 上產(chǎn)生中斷。需要注意的是，RTC 和 PIT 中斷不一定是同步的 (即同時(shí)發(fā)生)。 PIT 應(yīng)該用于超低功耗應(yīng)用，因?yàn)樗俏ㄒ辉诘綦娔Ｊ较吕^續(xù)發(fā)揮作用的定時(shí)器之一，而 RTC 的功耗稍高一些，但支持更長(zhǎng)的時(shí)間周期。對(duì)于 1 Hz 刻度時(shí)鐘，RTC Timeout時(shí)間可以超過(guò) 18 小時(shí)。

看門(mén)狗定時(shí)器 (WDT)
WDT 是一個(gè)特殊的定時(shí)器，如果不定期清除，它將重置微控制器。它具有多個(gè)可選擇的Timeout周期，并透過(guò)內(nèi)部 1.024 kHz 振蕩器運(yùn)行，該振蕩器源自于內(nèi)部超低功耗 32.768 kHz 振蕩器。 WDT 有兩種模式：正常模式和窗口模式。在正常模式下，必須在計(jì)數(shù)匹配之前清除 WDT。然而，如果某種錯(cuò)誤不斷地清除 WDT，則定時(shí)器將不會(huì)偵測(cè)到故障。為了防止這種可能性，可以使用窗口模式。
在窗口模式下，WDT 清除必須在設(shè)定的延遲之后、定時(shí)器觸發(fā)之前發(fā)生。如果清除得太早或太晚，將被視為 WDT 違規(guī)，并會(huì)觸發(fā)微控制器的重置。 WDT 緩存器受到設(shè)定變更保護(hù) (CCP) 功能和控制緩存器鎖定的保護(hù)。這使得軟件錯(cuò)誤很難無(wú)意中更改 WDT 設(shè)定。 WDT 可以在所有電源模式下運(yùn)作。

選擇合適的定時(shí)器及了解更多信息
了解定時(shí)器周邊后，可以輕松掌握選擇最符合應(yīng)用所需功能的定時(shí)器。在許多情況下，可能有多個(gè)的定時(shí)器可以執(zhí)行該工作。你直接選擇最簡(jiǎn)單的定時(shí)器——?讓具有更多功能的定時(shí)器可供將來(lái)使用。要更詳細(xì)地了解所有這些定時(shí)器的運(yùn)作方式以及與其相關(guān)的緩存器可參考AVR MCU網(wǎng)站內(nèi)數(shù)據(jù)手冊(cè)、應(yīng)用筆記和技術(shù)簡(jiǎn)介。使用特定定時(shí)器的程序代碼范例可以透過(guò)搜尋 MPLAB? Discover網(wǎng)頁(yè)找到 ( https://mplab-discover.microchip.com)。

本文作者為：Microchip應(yīng)用工程師經(jīng)理 蔡文杰