定時(shí)器和計(jì)數(shù)器可能是 MCU 設(shè)計(jì)中最普遍的外設(shè)。幾乎任何應(yīng)用程序都可以使用定時(shí)器或計(jì)數(shù)器來提高性能、降低功耗或簡化設(shè)計(jì)，方法是用簡單的定時(shí)器或計(jì)數(shù)器中斷代替重復(fù)或循環(huán)的 CPU 操作。但是，您可能沒有使用過一些較新的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器單元，而現(xiàn)在可用的一些高級(jí)功能可以進(jìn)一步改進(jìn)您的設(shè)計(jì)。本文將通過來自流行 MCU 系列的說明性示例快速回顧一些可用于改進(jìn)設(shè)計(jì)的新定時(shí)器/計(jì)數(shù)器功能，特別強(qiáng)調(diào)自主操作和電機(jī)控制的功能。

　　定時(shí)器和計(jì)數(shù)器模式：從簡單到高級(jí)

　　定時(shí)器和計(jì)數(shù)器從一些非常簡單的操作模式開始，以取代用于計(jì)算外部事件、計(jì)時(shí)內(nèi)部和外部操作以及收集關(guān)鍵 MCU 操作的各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的通用程序循環(huán)。Maxim MAXQ612中的特性說明了一些最熟悉的計(jì)數(shù)模式MCU 和一些示例如下圖 1 所示。該圖底部的表格顯示了定時(shí)器B、MAXQ612定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊的三種常見自主操作模式：自動(dòng)重載、捕獲和pp/遞減計(jì)數(shù)。右上圖顯示了自動(dòng)重載模式的框圖。Timer B 的時(shí)鐘輸入可以來自一個(gè)時(shí)鐘預(yù)分頻器，它可以用八種不同的設(shè)置對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻，或者來自一個(gè)外部引腳。控制位 TRB 啟用或禁用定時(shí)器 B 操作。定時(shí)器值寄存器 （TVB） 在計(jì)時(shí)并達(dá)到定時(shí)器 B 重載寄存器 （TBR） 中存儲(chǔ)的值并產(chǎn)生中斷并將 TVB 復(fù)位為零時(shí)向上計(jì)數(shù)。這提供了一種簡單的方法來創(chuàng)建延遲，而無需使用寶貴的 CPU 周期來創(chuàng)建延遲。

　　圖 1：Maxim MAXQ612 MCU 示例計(jì)數(shù)器/定時(shí)器模式。（由馬克西姆提供）

　　圖 1 右上角的框圖說明了捕獲模式的操作。在這種模式下，時(shí)鐘預(yù)分頻器和啟用/禁用功能與自動(dòng)重載模式相同。TBV 寄存器在溢出并產(chǎn)生可選中斷時(shí)向上計(jì)數(shù)并復(fù)位為零。在外部引腳 TBB 的下降沿，TBV 寄存器中的值被加載到捕捉寄存器 TBR 中，并且可以產(chǎn)生中斷 EXFB。此模式可用于計(jì)算外部信號(hào)上升沿之間的時(shí)鐘數(shù)以確定信號(hào)頻率或信號(hào)延遲。因此，計(jì)時(shí)器將 CPU 從執(zhí)行周期密集型計(jì)數(shù)操作中解放出來，因此它可以更有效地完成真正需要的任務(wù)。

　　MAXQ612支持其他幾種常見的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器操作，例如向上/向下自動(dòng)重載，外部引腳控制計(jì)數(shù)器的方向。此模式有助于解碼各種脈寬調(diào)制信號(hào)，例如用于機(jī)電傳感器的信號(hào)。時(shí)鐘輸出模式可用于使用系統(tǒng)時(shí)鐘、預(yù)分頻器和定時(shí)器 B 的終端計(jì)數(shù)來創(chuàng)建簡單的輸出時(shí)鐘。最后，脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 輸出模式可以生成邊沿對(duì)齊信號(hào)用于常見的 PWM 應(yīng)用，例如用于電機(jī)控制的應(yīng)用。

　　用于電機(jī)控制的 PWM 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能

　　一些最先進(jìn)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器功能用于電機(jī)控制的 PWM 應(yīng)用。這些計(jì)數(shù)器使用專用硬件盡可能多地實(shí)現(xiàn)與電機(jī)相關(guān)的 PWM 功能，以釋放處理器以執(zhí)行更高級(jí)別的功能。電機(jī)控制 PWM 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的基本操作在大多數(shù)制造商實(shí)現(xiàn)中都很常見，而NXP LPC 17xx PWM 定時(shí)器中的那些實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)很好的示例，該定時(shí)器針對(duì)三相交流和直流電機(jī)控制應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。如圖 2 所示，電機(jī)控制 PWM 模塊的功能可能看起來相當(dāng)復(fù)雜，直到您意識(shí)到基本 PWM 定時(shí)器通道存在三個(gè)副本；一個(gè)在左邊，一個(gè)在中間，一個(gè)在右邊。擁有三個(gè)通道可以使用單個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器來控制三相電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)非常有效的實(shí)施。每個(gè)通道控制一對(duì)輸出，而這些輸出又可以控制芯片外的某些東西，例如電機(jī)中的一組線圈。每個(gè)通道都包含一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 （TC） 寄存器，該寄存器由處理器時(shí)鐘（定時(shí)器模式）或輸入引腳（計(jì)數(shù)器模式）遞增。

　　圖 2：NXP LPC 17xx PWM 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。（恩智浦提供）

　　每個(gè)通道都有一個(gè)與 TC 值進(jìn)行比較的限制寄存器，當(dāng)發(fā)生匹配時(shí)，TC 會(huì)以兩種方式之一“復(fù)位”。在邊沿對(duì)齊模式下，TC 復(fù)位為 0，而在中心模式下，匹配將 TC 切換為在每個(gè)處理器時(shí)鐘或輸入引腳轉(zhuǎn)換時(shí)遞減，直到達(dá)到 0，此時(shí)它再次開始向上計(jì)數(shù)。

　　每個(gè)通道還包括一個(gè)匹配寄存器，其保存的值小于限制寄存器。在邊緣對(duì)齊模式下，只要 TC 與匹配或限制寄存器匹配，通道的輸出就會(huì)切換，而在中心對(duì)齊模式下，它們僅在匹配匹配寄存器時(shí)才會(huì)切換。因此，限制寄存器控制輸出的周期，而匹配寄存器控制輸出在每個(gè)狀態(tài)中花費(fèi)的每個(gè)周期的多少。如果將輸出集成到電壓中，則限制寄存器中的值較小可以最大限度地減少紋波，并允許電機(jī)控制 PWM 定時(shí)器控制高速運(yùn)行的設(shè)備。

　　所有這些通道硬件元件共同控制兩個(gè)輸出，A 和 B，它們可以驅(qū)動(dòng)一對(duì)晶體管在兩個(gè)電源軌之間切換控制點(diǎn)。大多數(shù)情況下，兩個(gè)輸出具有相反的極性，但可以啟用死區(qū)功能（基于每個(gè)通道）以延遲兩個(gè)信號(hào)從無源狀態(tài)到有源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而使晶體管永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)開啟。每個(gè)輸出對(duì)的狀態(tài)可以被認(rèn)為是高、低和浮動(dòng)或向上、向下和中心關(guān)閉。每個(gè)通道從有源和無源到高低的映射都是可編程的，并且每個(gè)通道都可以執(zhí)行邊緣對(duì)齊和中心對(duì)齊的脈寬調(diào)制。圖 3 顯示了輸出配置的兩個(gè)示例。左邊的那個(gè)是中心對(duì)齊的，沒有任何死區(qū)時(shí)間。

　　圖 3：NXP LPC17xx 電機(jī)控制 PWM 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器示例輸出配置。（恩智浦提供）

　　電機(jī)控制 PWM 定時(shí)器還包括多個(gè)中斷源，以便于通知處理器需要更高級(jí)別的電機(jī)控制功能。這些中斷是按通道組織的，可以指示 TC 何時(shí)與匹配寄存器匹配、TC 何時(shí)與限制寄存器匹配、通道何時(shí)將 TC 的值捕獲到其捕獲寄存器或中止輸入何時(shí)有效。LPC17xx 還具有多個(gè)支持外設(shè)，可簡化高級(jí)控制功能，包括正交編碼器接口、附加 PWM 模塊、中斷定時(shí)器和看門狗定時(shí)器。這種種類繁多的專用時(shí)序功能表明時(shí)序功能對(duì)于基于 MCU 的設(shè)計(jì)變得多么重要。

　　其他專門的計(jì)時(shí)功能

　　在許多現(xiàn)代 MCU 上，隨著制造商針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能變得越來越專業(yè)化。例如，飛思卡爾Kinetis K10 系列（如MK10DN512ZVLQ10） 具有多種具有專門功能的計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)外設(shè)。這些外設(shè)包括： 可編程延遲塊，用于控制 ADC 和 DAC 操作，使處理器免于管理這些低級(jí)進(jìn)程；靈活的定時(shí)模塊，提供多個(gè)定時(shí)、計(jì)數(shù)、輸入捕捉和輸出比較通道，以支持照明和電動(dòng)機(jī)的電源管理和控制；可以自主管理外設(shè)中斷和 DMA 傳輸?shù)闹芷谛灾袛喽〞r(shí)器；一個(gè)非常低功耗的定時(shí)器，即使在 MCU 處于最低功耗狀態(tài)時(shí)也可以運(yùn)行，以提供簡單的周期性“喚醒”事件；實(shí)時(shí)時(shí)鐘，保持準(zhǔn)確時(shí)間，甚至在MCU完全斷電時(shí)也可以使用電池供電，方便獲取系統(tǒng)運(yùn)行和壽命數(shù)據(jù)。

　　K10 系列還提供專用于特定模塊的專用時(shí)鐘和計(jì)時(shí)功能，因此不會(huì)消耗其他計(jì)時(shí)資源。例如，用于創(chuàng)建各種信號(hào)編碼方案（如紅外線通信中的協(xié)議）中使用的協(xié)議的載波調(diào)制器發(fā)射器模塊具有自己的專用定時(shí)和計(jì)數(shù)功能，很像脈寬調(diào)制計(jì)數(shù)器，管理與頻移鍵編碼方案相關(guān)的脈沖寬度變化。隨著 MCU 變得更加特定于應(yīng)用和細(xì)分市場(chǎng)，這種專用計(jì)時(shí)和計(jì)數(shù)功能的趨勢(shì)預(yù)計(jì)將繼續(xù)下去。

　　開發(fā)套件加快上市時(shí)間

　　隨著 MCU 變得更加特定于應(yīng)用，制造商正在創(chuàng)建更多面向應(yīng)用的開發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)。電機(jī)控制應(yīng)用可能是特定應(yīng)用套件最常見的示例之一。舉個(gè)例子，瑞薩電子提供了一套完整的電機(jī)控制開發(fā)套件，YMCRPRX62T如圖 4 所示，其中甚至包括一個(gè)示例電機(jī)。該套件隨附您在多個(gè)電機(jī)控制設(shè)計(jì)中評(píng)估瑞薩電子 RX62T MCU 所需的所有軟件和示例設(shè)計(jì)。由 PC 托管的演示圖形用戶界面顯示電機(jī)速度、電壓和電流，同時(shí)允許用戶調(diào)整參數(shù)和算法以直接查看各種結(jié)果，以幫助調(diào)整電機(jī)運(yùn)行，從而在特定設(shè)計(jì)中獲得最佳結(jié)果。許多其他制造商也提供具有與瑞薩 RX62T 類似功能的電機(jī)控制評(píng)估套件。尋找與您的目標(biāo)應(yīng)用和開發(fā)環(huán)境最匹配的套件，以利用制造商“捆綁”的大量工作來幫助您加速下一個(gè)電機(jī)控制設(shè)計(jì)。

　　定時(shí)器和計(jì)數(shù)器是 MCU 最熟悉的外設(shè)，但充分利用它們可以確保您節(jié)省功耗、提高性能并簡化您的設(shè)計(jì)。本文討論了一些新的和高級(jí)的特性，這些特性使得以不常見的方式利用這些常見元素成為可能。