AVR 编程 ATMEGA328P Timer基础应用

2021-03-07

适用于初学者的AVR教程。

目标

理解定时器的定义，学会使用定时器发生间隔1ms的中断（代码1、2）。通过定时器使LED进行Diming（PWM）。

使用到的硬件

Arduino uno
面包板
杜邦线
电阻
LED

电路图

Atmega328P的定时器有两种：8bit和16bit。本文使用的是8bit定时器timer0。该定时器有七种模式，最典型的应用是普通模式、CTC模式和快速PWM模式。
对于普通模式和CTC模式，示例代码使用的是Pin13上的LED，这意味着不需要任何接线。对于快速PWM模式。示例代码使用的是Pin6的PWM功能（OC0A）。该示例接线很简单，将电阻和LED简单串联即可。也可以使用AVR 编程 ATMEGA328P GPIO 基础应用中的三极管开关接法。

完整代码

1.普通模式：

#include <avr/io.h>
#define _BV(X) 1<<X
char a = 0;
int i = 0;
void timerinit() {
  cli();
  TCCR0A =0;
  TCCR0B = _BV(CS01) | _BV(CS00);
  TCNT0=5;
  TIMSK0 = _BV(TOIE0);
  TIFR0 = _BV(TOV0);
}
int main() {
  timerinit();
  DDRB = (1 << PB5);
  sei();
  while (1) {
    PORTB = a << PB5;
  }
}

ISR(TIMER0_OVF_vect) {
  TCNT0=5;
  if (i <= 1000)i++;
  else {
    a = ~a;
    i = 0;
  }
}

2.CTC模式：

#include <avr/io.h>
#define _BV(x) 1<<x
char a = 0;
int i = 0;
void timerinit() {
  cli();
  TCCR0A = _BV(WGM01) | _BV(COM0A1);
  TCCR0B = _BV(CS01) | _BV(CS00);
  OCR0A = 249;
  TIMSK0 = _BV(OCIE0A);
  TIFR0 = _BV(OCF0A);
}
int main() {
  timerinit();
  DDRB = (1 << PB5);
  sei();
  while (1) {
    PORTB = a << PB5;
  }
}

ISR(TIMER0_COMPA_vect) {
  if (i <= 1000)i++;
  else {
    a = ~a;
    i = 0;
  }
}

3.快速PWM模式（LED Diming）：

#include <avr/io.h>
char a = 1;
int b = 0;
char c = 5;
int i = 0;
void timerinit() {
  TCCR0A = (1 << COM0A1) | (0 << COM0A0) | (1 << WGM01) | (1 << WGM00);
  TCCR0B = (0 << WGM02) | (1 << CS01) | (1 << CS00);
}
int main() {
  timerinit();
  DDRD = (1 << PD6);
  while (1) {
    OCR0A = b;
    b = b + c;
    if (b <= 0 || b >= 255) c = -c;
    _delay_ms(30);
  }
}

Timer和PWM

假定读者对PWM调波和定时器有一定的了解，因为手头没有示波器可用，无法很具体的讲解，本文对此仅作简单描述。但是作为最基础的电气知识，即使是百度百科也写的很清楚，如果没有相对的知识储备，建议最少阅读一下百度百科：脉宽调制。
对于定时器的概念：定时器可以看作是一个带有比较逻辑结构的累加器。它的工作原理是不断的给一个数+1，然后将这个数与预设数作比较，当达该数到预设值时溢出并重置。
关于PWM，它经常被用于调节方波的占空比。所谓占空比指的是高电平占总带宽的比例，这里占指的是占用，空指的是空置。计算公式为：d=T_h/(T_l+T_h )。以8bit分辨率的PWM方波为例，高低电平分布为0x00->0xff。假设分布为0xf0：高高高高低低低低，那么它的占空比就是d=4/(4+4)=50%。控制占空比又有什么作用呢？以示例Diming为例，占空比越高LED的亮度就越大。当然，最典型的应用还是在电机上，比如vfc和foc。
Atmega328P的定时器有两种：8bit和16bit。二者最明显的区别在于当应用于PWM时，16bit产生的方波分辨率会更高。用上文提到的占空比公式可以计算出来，8bit定时器产生的最小占空比为1/8，而16bit的为1/16，两倍的分辨率。
那么是不是分辨率越高越好呢？
定时器工作原理
首先需要弄懂定时器到底是怎么工作的。如上图所示，定时器从某个值（通常为0）不断累加并进行判断是否达到了预设值，如果达到了就溢出重置初始值。具体在硬件上的累加可以理解为这是一个8bit存储单元，给定其初始值并不断累加，当达到预设值时产生溢出标志，并重置该值。
那么怎么计时呢？以Atmega328P为例，它的时钟源是由一个16MHZ的晶振提供的，这意味着它一秒可以计数16M次。那么定时器在不分频的情况下每加1一次，过去的时间就是(1/16M)s。对于分频，分频是将时钟源分成n等份。比如最常用的64分频下每秒可以计数250000次。那么假定在64分频下使用8bit分辨率的定时器，每分钟会溢出多少次呢？假设初始值为0，预设值为0xff（即255）。那么该定时器每秒钟溢出的次数为：16MHZ/(642^8)，大约是98次。由此可以得出时钟带宽公式：f=f_clk/(n2^8 )。
现在回到那个问题上：分辨率是不是越高越好呢？根据带宽公式可以得出这样一个结论，当你的分辨率越高时你的时钟带宽就越小。所以根据不同的需求，分辨率不一定是越高越好。那么16bit定时器是不是一定比8bit的好呢？是的，因为可以通过改变预设值将16bit定时器应用为8bit定时器。

如何实现1ms精准定时及如何产生PWM方波

本文使用的是8bit定时器timer0。该定时器有七种模式，最典型的应用是普通模式、CTC模式和快速PWM模式。
普通模式和CTC模式可以用于精准定时。在上文中提到过，时钟分辨率是通过初始值和预设值来确定的，二者相减就是时钟分辨率。在Atmega328P上有如下的定义：
| 名称 | 定义 |
| :—-: | :—-: |
| BOTTOM | 底部值时0x00|
|MAX | 峰值0xff |
|TOP | 预设值 |
简单来说，对于CTC模式，底部值是BOTTOM，溢出值是TOP（即寄存器OCRnx内的值）。对于普通模式，底部值是寄存器TCNTn内储存的值，溢出值是MAX。二者在实际使用效果上没有区别。
快速PWM模式用于生成单斜率方波，对应的还有PWM相位矫正模式是双斜率的。二者的区别在于快速PWM模式在MAX/TOP溢出，而相位矫正模式则从MAX/TOP再减到BOTTOM。那么定时器是如何生成PWM方波、又是如何调节占空比的呢？
快速PWM时序图
上图是快速PWM模式的时序图，每个周期被平均分为256份（8bit分辨率），OCnx为在该周期内高电平的份数。比如输出一个50%占空比的方波信号，OCnx值为127。该值储存在寄存器OCRnx内。n指的是Timer0/1/2，x指的是通道A/B。
关于PWM双通道，Atmega328P的定时器在使用到对比模块的模式下被设计为双通道模式，包括并不限于快速PWM和CTC模式。每个通道都有一个预设值寄存器OCRnA/B。在CTC模式下，可以通过分别赋予OCRnA/B不同的值来实现双通道独立计时。在快速PWM模式下则可以通过双通道设计，产生两个占空比不一样的方波。
那么该如何实现1ms精准定时、如何产生PWM方波呢？
模式配置表

寄存器TCCR0A
寄存器TCCR0B
寄存器TIMSK0
寄存器TIFR0
比较值寄存器
上图是定时器0的各个模式的寄存器配置表、分频配置表及相关寄存器。使用定时器，首先要配置它的模式。然后再配置它的分频，接着再配置通道数和它们的预设值（比如OCRnx或TCNTn）。最后再根据需要来决定是否要配置中断。
以CTC模式为例，从上表中可以看到，CTC模式为模式3，其配置方法为将寄存器TCCR0A 上的WGM01位置1。使用64分频，即将寄存器TCCR0B上的CS01和CS00位置1。然后选用单通道、通道A，即将寄存器TCCR0A上的COM0A1位置1。

1 2	TCCR0A = _BV(WGM01) \| _BV(COM0A1); TCCR0B = _BV(CS01) \| _BV(CS00);

CTC选通
关于选通,以通道A为例。上图可以看到有四个选项。第一项是禁用该通道。第二项是更改Pin-OCnA的电平状态，一般在PWM模式下使用。第三项是常用的清零，即当溢出时，计数器值变为0x00。第四项是置位，此时类似于普通模式下的TCNTn，一般不用。
要产生1ms的标准时间，已知在64分频下一秒可以累加250000次，那么只要让定时器每累加250次溢出一次就可以得到精确的时间。需要注意的是溢出到0x00也记作一次累加，所以预设值OCR0A为249，即：OCR0A = 249。
假设需要中断，那么将掩码寄存器和标志寄存器的A通道置1。

1 2	TIMSK0 = _BV(OCIE0A); TIFR0 = _BV(OCF0A);

普通模式与CTC模式配置方法类似，此处不再详述。其与CTC模式的区别在于普通模式没有双通道。且其计数方式为从预赋值TCNTn到MAX。所以不需要配置OCR0A，而需要配置TCNT0。同样以64分频的1ms定时为例，TCNT0为5，即：TCNT0=5。
注意：这里不需要减1，因为累加范围为5-255，刚好250次。
关于AVR的中断用法和中断向量表，请见AVR 编程 ATMEGA328P 中断基础。
PWM相对较难，其难点主要在于双通道选通。从模式配置表中可以看到有两个快速PWM模式，其区别在于TOP值和溢出值上。模式3的溢出值是MAX，即0xff。这意味着它的带宽是固定的8bit。模式7的溢出值是OCRA，这意味着它的带宽是不定的，且在该模式下由于没有更多的寄存器来调控占空比，它的占空比恒定位50%。
快速PWM选通
上图是PWM模式下通道A选通的选项。第一项还是禁用。第二项应用在模式7上，生成一个占空比为50%的方波信号，其带宽取决于OCRA。原理是第一个波段高电平，下一个波段反转电平。第三项、第四项用在模式3上，取决于你的方波信号是否需要反转（比如电机倒转）。
示例代码旨在实现LED的Diming，所以需要通过改变方波的占空比来达到更改LED亮度的目的。上文已经解释了模式3和模式7的区别，对于LED调光需要使用模式3，因为改变的是占空比而不是带宽。所以寄存器TCCR0A的WGM01和WGM00需要置1。关于选通，选择通道A禁用通道B，且不需要反转，即寄存器WGM01的COM0A1置1。分频与CTC一致，选择64分频。

1 2	TCCR0A = (1 << COM0A1) \| (1 << WGM01) \| (1 << WGM00); TCCR0B = (1 << CS01) \| (1 << CS00);

Arduino引脚图
上图是Arduino的引脚图，已知开启了Timer0的A通道作为PWM输出引脚，所以要在引脚图上找到OC0A引脚，即PD6。直接将LED和电阻串接到该引脚，LED的Diming电路就接好了。
对于Diming的算法，示例提供了一个很简单的动态占空比的算法。原理是亮度变量b（brightness）和控制变量c（control）相加得到即时亮度，当亮度和超过255或者低于0时，反转c的正负号。这样亮度就会在0->255之间变化。
注意：PWM模式是没有中断的，但是可以通过定时器的普通模式和CTC模式来模拟产生PWM方波。

关于本文

Arduino定时器功能挺难找到中文的讲解的，大部分写的都是一知半解（比如很难找到关于Toggle这个单词的解释）。有一篇德语的文章写的非常棒，作者还用示波器对比了定时器各个模式下的波形。如果想完整的了解Arduino的PWM功能，可以区看看：Timer und PWM – Teil 1 (8 Bit Timer0/2)。
本文还有许多需要完善的地方，因为关于定时器的东西比较多，讲解起来比较复杂。后续可能会在有时间的时候进行修补。再次推荐上面的链接。

参考文献

1.Atmega328P数据手册
链接
2.Arduino引脚图
链接