AVR定時/計數(shù)器應用設計

定時/計數(shù)器（Timer/counter）是單片機芯片中最基本的外圍接口，它的用途非常廣泛，常用于測量時間、速度、頻率、脈寬、提供定時脈沖信號等。相對于一般8位單片機而言，AVR不僅配備了更多的定時/計數(shù)器接口，而且還是增強型的，功能非常強大。ATmega128一共配置了2個8位和2個16位，共4個定時/計數(shù)器，本小節(jié)重點對它的一些增強功能的應用做基本的介紹。

5.9.1預分頻器
定時/計數(shù)器最基本的功能就是對脈沖信號計數(shù)，當計數(shù)器計滿后（8位為255，16位為65535），再來一個脈沖它就翻轉到0，并產(chǎn)生中斷信號。同其他單片機類似，AVR的定時/計數(shù)器的計數(shù)脈沖可以來自外部的引腳，也可以由從內(nèi)部系統(tǒng)時鐘獲得；但AVR的定時/計數(shù)器在內(nèi)部系統(tǒng)時鐘和計數(shù)單元之間增加了一個預分頻器，利用預分頻器，定時/計數(shù)器可以從內(nèi)部系統(tǒng)時鐘獲得不同頻率的信號。表5-1為系統(tǒng)時鐘為4MHz使用定時/計數(shù)器0的最高計時精度和時寬范圍。

表5-1T/C0計時精度和時寬（系統(tǒng)時鐘4MHz）
分頻系數(shù)計時頻率最高計時精度（TCNT0=255）最寬時寬（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)時鐘為4MHz時，8位的T/C0最高計時精度為0.25us，最長的時寬可達到65.536ms。而使用16位的定時/計數(shù)器時，不需要輔助的軟件計數(shù)器，就可以非常方便的設計一個時間長達16.777216秒（精度為256us）的定時器，這對于其它的8位單片機是做不到的。
AVR單片機的每一個定時/計數(shù)器都配備獨立的、多達10位的預分頻器，由軟件設定分頻系數(shù)，與8/16位定時/計數(shù)器配合，可以提供多種檔次的定時時間。使用時可選取最接近的定時檔次，即選8/16位定時/計數(shù)器與分頻系數(shù)的最優(yōu)組合，減少了定時誤差。所以，AVR定時/計數(shù)器的顯著特點之一是：高精度和寬時范圍，使得用戶應用起來更加靈活和方便。此外，AVR的USART、SPI、I2C、WDT等都不占用這些定時/計數(shù)器。

5.9.2輸入捕捉功能
ATmega128的兩個16位定時/計數(shù)器（T/C1、T/C3）具有輸入捕捉功能，它是AVR定時/計數(shù)器的又一個顯著的特點。其基本作用是當一個事件發(fā)生時，立即將定時/計數(shù)器的值鎖定在輸入捕捉寄存器中（定時/計數(shù)器保持繼續(xù)運行）。利用輸入捕捉功能，可以對一個事件從發(fā)生到結束的時間進行更加精確，如下面的示例中精確測量一個脈沖的寬度。
測量一個脈沖的寬度，就是測量脈沖上升沿到下降之間的時間。不使用輸入捕捉功能，一般情況往往需要使用兩個外圍部件才能完成和實現(xiàn)。如使用1個定時/計數(shù)器加1個外部中斷（或模擬比較器）：定時/計數(shù)器用于計時；而外部中斷方式設置成電平變化觸發(fā)方式，用于檢測脈沖的上升和下降沿。當外部中斷輸入電平由低變高，觸發(fā)中斷，讀取時間1；等到輸入電平由高變低時，再次觸發(fā)中斷，讀取時間2；兩次時間差既為脈沖寬度。這種實現(xiàn)方式不僅多占用了一個單片機的內(nèi)部資源，而且精度也受到中斷響應時間的限制。因為一旦中斷發(fā)生，MCU響應中斷需要時間，在中斷中可能要進行適當?shù)闹袛喱F(xiàn)場保護，才能讀取時間值。而此時的時間值比中斷發(fā)生的時間已經(jīng)滯后了。
而使用ATmega128的1個定時/計數(shù)器，再配合其輸入捕捉功能來測量脈沖的寬度就非常方便，下面是實現(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; //記錄上升沿開始時間
TCCR1B=TCCR1B&0xBF; //設置T/C1為下降沿觸發(fā)捕捉
ov_counter=0; //清零溢出計數(shù)器
}
else
{ //下降沿中斷
falling_edge=ICR1; //記錄下降沿時間
TCCR1B=TCCR1B|0x40; //設置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中實現(xiàn)的。在T/C1的捕捉中斷中，先檢查ICP1的實際狀態(tài)，以確定是出現(xiàn)了上升沿還是下降沿信號。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量：記錄下上升沿出現(xiàn)的時間，把T/C1的捕捉觸發(fā)方式改為下降沿觸發(fā)，并清空溢出計數(shù)器。如果中斷由下降沿觸發(fā)（ICP1為低電平），表示到達脈沖的未端，程序記錄下降沿出現(xiàn)時間，計算出脈沖的寬度，再將T/C1的捕捉觸發(fā)方式改為上升沿觸發(fā)，以開始下一次的測量。
脈沖的實際寬度（毫秒格式）是根據(jù)T/C1的計數(shù)時鐘個數(shù)來計算的。本例中T/C1的計數(shù)時鐘是系統(tǒng)時鐘（4MHz）的8分頻，即500KHz，相應的計數(shù)脈沖寬度為2us。因此計算出從上升沿和下降沿之間總的計數(shù)脈沖個數(shù)，除以500個脈沖（為1ms）即得到以毫秒為單位的被測脈沖寬度了。
可以看到，使用定時/計數(shù)器以及配合它的捕捉功能測量脈沖寬度，不僅節(jié)省系統(tǒng)的硬件資源，編寫程序簡單，而且精度也高，因為讀到的上升沿和下降沿的時間就是其實際發(fā)生的時間。