定時(shí)器計(jì)數(shù)器基本知識(shí) [通用]timcou
-0001 定時(shí)器計(jì)數(shù)器基本知識(shí) [通用]
Q1 微控制器的內(nèi)部定時(shí)器計(jì)數(shù)器是如何操作的？
A1 下面介紹了定時(shí)器計(jì)數(shù)器的基本知識(shí)。
(1) 引言
近幾年，幾乎所有的微控制器都有定時(shí)器計(jì)數(shù)器。
有些是具有特殊應(yīng)用的，如變頻器控制，不過(guò)下面描述的是一般類型的定時(shí)器計(jì)數(shù)器。
"定時(shí)器計(jì)數(shù)器"這個(gè)名字表示了以下兩個(gè)功能的結(jié)合: 定時(shí)器和(事件)計(jì)數(shù)器。
定時(shí)器和計(jì)數(shù)器功能基本上都是使用相同的邏輯實(shí)現(xiàn)的，而且這兩個(gè)功能都包含輸入的計(jì)數(shù)信號(hào)。
下面簡(jiǎn)單概括了定時(shí)器與計(jì)數(shù)器的差別。
計(jì)數(shù)器: 計(jì)數(shù)并指示在任意間隔內(nèi)輸入信號(hào)（事件）的個(gè)數(shù)。
定時(shí)器: 對(duì)規(guī)定間隔內(nèi)輸入的信號(hào)個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，用來(lái)指示經(jīng)歷的時(shí)間。
換句話說(shuō)，定時(shí)器和計(jì)數(shù)器功能在使用對(duì)象和輸入的信號(hào)方面不相同。
幾乎在所有情況下，可以從內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘劃分出來(lái)的時(shí)鐘信號(hào)或是外部輸入時(shí)鐘信號(hào)中選擇輸入的時(shí)鐘信號(hào)，這些時(shí)鐘信號(hào)可以用于定時(shí)器或計(jì)數(shù)器。
(2) 根據(jù)計(jì)數(shù)器操作不同進(jìn)行分類
根據(jù)計(jì)數(shù)功能不同，定時(shí)器計(jì)數(shù)器大致可以分為以下幾類。
- 執(zhí)行簡(jiǎn)單計(jì)數(shù)操作的自由運(yùn)行的計(jì)數(shù)器
一旦啟動(dòng)計(jì)數(shù)操作，它就一直保持運(yùn)行。
有時(shí)候，不能停止計(jì)數(shù)操作。
- 計(jì)數(shù)期間可以停止的計(jì)數(shù)器，并且可以設(shè)置為任意計(jì)數(shù)周期
當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到某個(gè)確定值時(shí)，可以輸出信號(hào)、將計(jì)數(shù)值清零，或者停止計(jì)數(shù)器操作。
自由運(yùn)行的計(jì)數(shù)器邏輯更簡(jiǎn)單，所以有時(shí)它們會(huì)用在比較便宜的微控制器中。
盡管可以停止鐘表定時(shí)器，但在正常操作期間一般不需要停止（因?yàn)闀?huì)產(chǎn)生時(shí)序問(wèn)題），所以大多數(shù)操作都和自由運(yùn)行的計(jì)數(shù)器一樣。
不過(guò)，可以為微控制器設(shè)計(jì)各種方便使用的方法，包括可以在任何時(shí)候?qū)Χ〞r(shí)器停止操作或清零。
(3)定時(shí)器計(jì)數(shù)器的附加功能
當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器僅用于計(jì)數(shù)時(shí)，應(yīng)用有一定局限性。
增強(qiáng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器功能的一種方法是增加一個(gè)或兩個(gè)寄存器。
一般，添加的寄存器是:
- 比較寄存器
- 捕捉寄存器
有時(shí)候，也使用單獨(dú)的寄存器，但一般是一個(gè)比較寄存器和一個(gè)捕捉寄存器交替使用。
比較寄存器用于設(shè)置與定時(shí)器計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值相比較的值。
當(dāng)比較寄存器中設(shè)置的值與計(jì)數(shù)值匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以下操作:
- 發(fā)出中斷
- 修改輸出電平
- 對(duì)定時(shí)器清零
在使用這類操作時(shí)，在任何時(shí)間間隔（基于定時(shí)器計(jì)數(shù)器時(shí)鐘的精確度）都可能會(huì)產(chǎn)生中斷或者修改信號(hào)電平。
從外部輸入源輸入信號(hào)時(shí)，捕捉寄存器用于捕捉定時(shí)器計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。
該操作由硬件實(shí)現(xiàn)，因此捕捉的定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值比用軟件讀取的更準(zhǔn)確。
(當(dāng)用軟件執(zhí)行類似操作時(shí)，從外部輸入信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷，由中斷服務(wù)程序調(diào)用捕捉定時(shí)器計(jì)數(shù)器值的功能。
通常，在中斷產(chǎn)生后，由于響應(yīng)中斷，時(shí)序會(huì)發(fā)生一些變化。
有時(shí)候也需要中斷服務(wù)程序讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值。
因此，捕捉的值與影響外部輸入信號(hào)的實(shí)際時(shí)序值有所不同。)
(4)定時(shí)器計(jì)數(shù)器的用途(操作)
(a)定時(shí)器計(jì)數(shù)器主要用于測(cè)量和輸出，包括以下用途（操作）。
[1] 測(cè)量功能
- 外部事件計(jì)數(shù)器
- 脈沖寬度測(cè)量，時(shí)間間隔測(cè)量
[2] 輸出功能
- 間隔定時(shí)器
- 方波輸出
- 脈沖輸出
- PWM輸出
- 單脈沖輸出
- 載波生成
(b)具體功能描述
- 外部事件計(jì)數(shù)器
對(duì)外部輸入的信號(hào)（事件）進(jìn)行計(jì)數(shù)是定時(shí)器計(jì)數(shù)器最簡(jiǎn)單的一種操作。
定時(shí)器計(jì)數(shù)器可以對(duì)已經(jīng)輸入的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且通過(guò)程序可以定期讀取計(jì)數(shù)值。
下面圖示的例子是對(duì)每10分鐘內(nèi)到達(dá)的人數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
另一種用法是將定時(shí)器計(jì)數(shù)器與比較寄存器結(jié)合使用，當(dāng)外部信號(hào)（事件）的個(gè)數(shù)達(dá)到規(guī)定值（這時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷）時(shí)匯報(bào)情況。
例如，當(dāng)最大容量為24個(gè)蘋果的盒子里裝滿24個(gè)蘋果時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)器可以匯報(bào)這一情況。
在下面圖示的例子中，設(shè)置比較寄存器（數(shù)值為1～24），并當(dāng)計(jì)數(shù)器的值（0～23）達(dá)到蘋果個(gè)數(shù)時(shí)產(chǎn)生中斷。
產(chǎn)生該中斷時(shí)，就用一只空盒子替換這只已經(jīng)裝滿的盒子。
- 脈沖寬度測(cè)量，時(shí)間間隔測(cè)量
該功能用于測(cè)量外部輸入信號(hào)（事件）之間的間隔，這是捕捉寄存器的基本用途。
下面圖示的例子用于檢測(cè)電機(jī)的rpm（每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)）。
光遮斷器用于檢測(cè)裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的圓盤中的空槽。
光遮斷器的輸出信號(hào)是外部輸入信號(hào)（事件），用于捕捉操作的觸發(fā)輸入。
每次輸入觸發(fā)信號(hào)時(shí)，捕捉計(jì)數(shù)值，并裝入捕捉寄存器，然后將計(jì)數(shù)器清零。
可以從捕捉寄存器中讀取該值以確定旋轉(zhuǎn)次數(shù)，這樣可以計(jì)算出rpm。
- 間隔定時(shí)器
間隔定時(shí)器
該功能在規(guī)定的間隔會(huì)產(chǎn)生中斷，是定時(shí)器最簡(jiǎn)單的一種操作。
該操作使用比較寄存器。
只要定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值與比較寄存器的值匹配就會(huì)產(chǎn)生中斷，并對(duì)定時(shí)器計(jì)數(shù)器清零，再次從零開(kāi)始計(jì)數(shù)。
反復(fù)執(zhí)行該操作，可以在規(guī)定的時(shí)間間隔設(shè)置中斷的發(fā)生。
- 方波輸出
方波輸出的基本操作與間隔定時(shí)器相同。
唯一的區(qū)別是輸出了方波。
在下面的例子中，每當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值與比較寄存器設(shè)置的值匹配時(shí)就產(chǎn)生中斷，在將定時(shí)器輸出取反后，重復(fù)操作。
- 脈沖輸出
與方波輸出功能不同，脈沖輸出功能不僅可以改變周期還可以修改占空比。
實(shí)現(xiàn)該功能要使用兩個(gè)比較寄存器: 一個(gè)用于指定周期，另一個(gè)用于指定占空比。
這兩個(gè)比較寄存器的用法不同。
當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值與設(shè)置周期的比較寄存器的值匹配時(shí)，可以將該定時(shí)器計(jì)數(shù)器清零，但當(dāng)它與設(shè)置占空比的比較寄存器的值匹配時(shí)，修改輸出但定時(shí)器計(jì)數(shù)器不清零。
一旦定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值與某個(gè)比較寄存器的值匹配，就會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求。
下圖是一個(gè)脈沖輸出操作的例子。
可以使用該功能輸出方波，與下面描述的PWM輸出功能相似。
使用脈沖輸出，為了改變占空比而修改比較寄存器的值時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)時(shí)序問(wèn)題。
時(shí)序不正確時(shí)，與設(shè)置占空比的比較寄存器的兩次匹配（或者根本就不匹配）可能出現(xiàn)在同一個(gè)周期內(nèi)，從而產(chǎn)生不期望出現(xiàn)的定時(shí)器輸出的取反操作。
- PWM輸出
雖然這種操作產(chǎn)生與脈沖輸出操作相同的方波，但它的主要目的是修改占空比。
通常，PWM輸出周期是固定的，由定時(shí)器計(jì)數(shù)器的位計(jì)數(shù)決定周期。
在這種情況下，使用一個(gè)比較寄存器來(lái)指定占空比。
與脈沖輸出不同，PWM輸出有明確的目的，這樣在修改占空比時(shí)對(duì)比較寄存器寫入時(shí)序沒(méi)有約束。
下圖顯示了操作時(shí)序。
這里顯示的是初始啟動(dòng)操作時(shí)序。
剛啟動(dòng)時(shí)在第一個(gè)周期輸出是不活躍的（圖中的低電平）。
當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，輸出是活躍的，而當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器與比較寄存器匹配時(shí)輸出又變?yōu)椴换钴S的。
通過(guò)重復(fù)該操作輸出PWM信號(hào)。
下圖示例說(shuō)明了為了修改占空比重寫比較寄存器值的情況。
盡管在周期內(nèi)用"n"覆蓋"m"，但操作結(jié)果并沒(méi)有受影響，直到產(chǎn)生下一個(gè)溢出。
盡管有些定時(shí)器計(jì)數(shù)器可以修改周期，但在這種情況中周期結(jié)束是指與設(shè)置周期的比較寄存器匹配的時(shí)候，而不是定時(shí)器計(jì)數(shù)器溢出的時(shí)候。
- 單脈沖輸出
與上面例子中描述的連續(xù)重復(fù)的輸出功能相反，該功能僅輸出單脈沖。
該功能使用兩個(gè)比較寄存器。
一個(gè)用于指定產(chǎn)生觸發(fā)與輸出脈沖之間的時(shí)間，另一個(gè)用于指定脈沖寬度。
下面的時(shí)序圖描述了該操作過(guò)程。
當(dāng)外部輸入觸發(fā)信號(hào)時(shí)，將定時(shí)器計(jì)數(shù)器清零，并從零開(kāi)始重新計(jì)數(shù)。
當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值與指定輸出時(shí)序的比較寄存器的值（m）匹配時(shí)，通過(guò)定時(shí)器輸出脈沖。
當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值與指定脈沖寬度比較寄存器的值（n）匹配時(shí)，停止脈沖輸出。
- 載波生成
該功能用于產(chǎn)生紅外遙控操作信號(hào)，需要兩個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器結(jié)合使用。
由于該功能是定時(shí)器計(jì)數(shù)器的應(yīng)用而不是定時(shí)器計(jì)數(shù)器本身的操作，所以它和其它功能有本質(zhì)區(qū)別。
紅外遙控以載波頻率通過(guò)發(fā)出ON/OFF序列的紅外線進(jìn)行操作。
因此，使用一個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生與載波頻率匹配的信號(hào)（通過(guò)脈沖輸出操作）。
另一個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器對(duì)紅外遙控信號(hào)（間隔定時(shí)器操作）的長(zhǎng)度（時(shí)間）進(jìn)行計(jì)數(shù)。
指示已經(jīng)經(jīng)歷了規(guī)定時(shí)間的間隔定時(shí)器的輸出信號(hào)用于采樣遙控輸出信號(hào)。
當(dāng)采樣結(jié)果為"1"時(shí)輸出載波，為"0"時(shí)不輸出。
下面的時(shí)序圖描述了該操作過(guò)程。
在這個(gè)例子中，已經(jīng)由一個(gè)定時(shí)器計(jì)數(shù)器生成了載波信號(hào)。
當(dāng)產(chǎn)生匹配中斷時(shí)，用于間隔定時(shí)器操作的比較寄存器的值被重寫，而且以k (OFF時(shí)間)、m (ON時(shí)間)然后n (OFF時(shí)間)的順序被設(shè)置。
[1] 當(dāng)k匹配時(shí)，采樣輸出數(shù)據(jù)值(1)。
[2] 由定時(shí)器輸出啟動(dòng)載波信號(hào)輸出。
[3] 在匹配發(fā)生后產(chǎn)生的中斷服務(wù)中將"m" 寫入到比較寄存器，將"0"寫入到輸出數(shù)據(jù)。
[4] 當(dāng)m匹配時(shí)，采樣輸出數(shù)據(jù)值(0)。
[5] 停止載波信號(hào)輸出。
[6] 在匹配發(fā)生后產(chǎn)生的中斷服務(wù)中更新比較寄存器，并輸出數(shù)據(jù)值。
重復(fù)上述操作執(zhí)行該操作。
