定时/计数器 脉冲计数

Posted 2020-08-25 张鹏的博客

定时/计数器（Timer/counter）是单片机芯片中最基本的外围接口，它的用途非常广泛，常用于测量时间、速度、频率、脉宽、提供定时脉冲信号 等。相对于一般8位单片机而言，AVR不仅配备了更多的定时/计数器接口，而且还是增强型的，功能非常强大。ATmega128一共配置了2个8位和2个 16位，共4个定时/计数器，本小节重点对它的一些增强功能的应用做基本的介绍。 5.9.1 预分频器
  定时/计数器最基本的功能就是对脉冲信号计数，当计数器计满后（8位为255，16位为65535），再来一个脉冲它就翻转到0，并产生中断信号。同 其他单片机类似，AVR的定时/计数器的计数脉冲可以来自外部的引脚，也可以由从内部系统时钟获得；但AVR的定时/计数器在内部系统时钟和计数单元之间 增加了一个预分频器，利用预分频器，定时/计数器可以从内部系统时钟获得不同频率的信号。表5-1为系统时钟为4MHz使用定时/计数器0的最高计时精度 和时宽范围。
表5-1 T/C0计时精度和时宽（系统时钟4MHz）
分频系数  计时频率  最高计时精度（TCNT0=255）  最宽时宽（TCNT0=0）
1          4MHz      0.25us                    64us
8          500KHz    2us                       512us
32         125KHz    8us                       2.048ms
64         62.5KHz   16us                      4.096ms
128        31.25KHz  32us                      8.192ms
256        15.625KHz 64us                      16.384ms
1024       3906.25Hz 256us                     65.536ms
  从表中看出，在系统时钟为4MHz时，8位的T/C0最高计时精度为0.25us，最长的时宽可达到65.536ms。而使用16位的定时/计数器 时，不需要辅助的软件计数器，就可以非常方便的设计一个时间长达16.777216秒（精度为256us）的定时器，这对于其它的8位单片机是做不到的。
  AVR单片机的每一个定时/计数器都配备独立的、多达10位的预分频器，由软件设定分频系数，与8/16位定时/计数器配合，可以提供多种档次的定时 时间。使用时可选取最接近的定时档次，即选8/16位定时/计数器与分频系数的最优组合，减少了定时误差。所以，AVR定时/计数器的显著特点之一是：高 精度和宽时范围，使得用户应用起来更加灵活和方便。此外，AVR的USART、SPI、I2C、WDT等都不占用这些定时/计数器。
5.9.2 输入捕捉功能
  ATmega128的两个16位定时/计数器（T/C1、T/C3）具有输入捕捉功能，它是AVR定时/计数器的又一个显著的特点。其基本作用是当一 个事件发生时，立即将定时/计数器的值锁定在输入捕捉寄存器中（定时/计数器保持继续运行）。利用输入捕捉功能，可以对一个事件从发生到结束的时间进行更 加精确，如下面的示例中精确测量一个脉冲的宽度。
  测量一个脉冲的宽度，就是测量脉冲上升沿到下降之间的时间。不使用输入捕捉功能，一般情况往往需要使用两个外围部件才能完成和实现。如使用1个定时/ 计数器加1个外部中断（或模拟比较器）：定时/计数器用于计时；而外部中断方式设置成电平变化触发方式，用于检测脉冲的上升和下降沿。当外部中断输入电平 由低变高，触发中断，读取时间1；等到输入电平由高变低时，再次触发中断，读取时间2；两次时间差既为脉冲宽度。这种实现方式不仅多占用了一个单片机的内 部资源，而且精度也受到中断响应时间的限制。因为一旦中断发生，MCU响应中断需要时间，在中断中可能要进行适当的中断现场保护，才能读取时间值。而此时 的时间值比中断发生的时间已经滞后了。
  而使用ATmega128的1个定时/计数器，再配合其输入捕捉功能来测量脉冲的宽度就非常方便，下面是实现的程序示例。
#include <mega128.h>
#define ICP1 PIND.4 //脉冲输入由ICP1（Pind.4）输入
unsigned char ov_counter;
unsigned int rising_edge,falling_edge;
unsigned long pulse_clocks;
interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void) // T/C1溢出中断
{
ov_counter++; //记录溢出次数
}
interrupt [TIM1_CAPT] void timer1_capt_isr(void) // T/C1捕捉中断
{
if (ICP1)
{ //上升沿中断
rising_edge = ICR1; //记录上升沿开始时间
TCCR1B = TCCR1B & 0xBF; //设置T/C1为下降沿触发捕捉
ov_counter = 0; //清零溢出计数器
}
else
{ //下降沿中断
falling_edge = ICR1; //记录下降沿时间
TCCR1B = TCCR1B | 0x40; //设置T/C1为上升沿触发捕捉
pulse_clocks = (unsigned long)falling_edge - (unsigned long)rising_edge
+ (unsigned long)ov_counter * 0x10000 / 500; //计算脉冲宽度
}
}
void main(void)
{
TCCR1B=0x42; //初始化T/C1，1/8分频，上升沿触发捕捉
TIMSK=0x24; //允许T/C1溢出和捕捉中断
#asm("sei")
while (1)
     {………
     };
}
  这段程序是在CVAVR中实现的。在T/C1的捕捉中断中，先检查ICP1的实际状态，以确定是出现了上升沿还是下降沿信号。如果中断是由上升沿触发 的（ICP1为高电平），程序便开始一次脉冲宽度的测量：记录下上升沿出现的时间，把T/C1的捕捉触发方式改为下降沿触发，并清空溢出计数器。如果中断 由下降沿触发（ICP1为低电平），表示到达脉冲的未端，程序记录下降沿出现时间，计算出脉冲的宽度，再将T/C1的捕捉触发方式改为上升沿触发，以开始 下一次的测量。
  脉冲的实际宽度（毫秒格式）是根据T/C1的计数时钟个数来计算的。本例中T/C1的计数时钟是系统时钟（4MHz）的8分频，即500KHz，相应 的计数脉冲宽度为2us。因此计算出从上升沿和下降沿之间总的计数脉冲个数，除以500个脉冲（为1ms）即得到以毫秒为单位的被测脉冲宽度了。
  可以看到，使用定时/计数器以及配合它的捕捉功能测量脉冲宽度，不仅节省系统的硬件资源，编写程序简单，而且精度也高，因为读到的上升沿和下降沿的时间就是其实际发生的时间。