AVR定时/计数器应用设计

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5-1T/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）
14MHz0.25us64us
8500KHz2us512us
32125KHz8us2.048ms
6462.5KHz16us4.096ms
12831.25KHz32us8.192ms
25615.625KHz64us16.384ms
10243906.25Hz256us65.536ms

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

#defineICP1 PIND.4 //脉冲输入由ICP1（Pind.4）输入

unsignedcharov_counter;
unsignedintrising_edge,falling_edge;
unsignedlongpulse_clocks;

interrupt[TIM1_OVF]voidtimer1_ovf_isr(void) //T/C1溢出中断
{
ov_counter++; //记录溢出次数
}

interrupt[TIM1_CAPT]voidtimer1_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=(unsignedlong)falling_edge-(unsignedlong)rising_edge
+(unsignedlong)ov_counter*0x10000/500; //计算脉冲宽度
}
}

voidmain(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。