用于電機(jī)控制的定時器和計數(shù)器新性能介紹

定時器和計數(shù)器可能是MCU設(shè)計中最普遍的外設(shè)。幾乎任何應(yīng)用程序都可以使用定時器或計數(shù)器來通過簡單的定時器或計數(shù)器中斷替換重復(fù)或循環(huán)CPU操作來提高性能，降低功耗或簡化設(shè)計。但是，您可能沒有使用過某些最新的計時器/計數(shù)器單元，現(xiàn)在可以使用的一些高級功能可以進(jìn)一步改善您的設(shè)計。本文將快速回顧一些可用于改進(jìn)設(shè)計的新定時器/計數(shù)器功能，其中包括來自流行MCU系列的說明性示例，特別強(qiáng)調(diào)自主操作和電機(jī)控制的功能。

定時器和計數(shù)器模式：從簡單到高級

定時器和計數(shù)器以一些非常簡單的操作模式開始，以替換用于計數(shù)外部事件的公共程序循環(huán)，用于計時內(nèi)部和外部操作以及用于收集關(guān)鍵MCU的各種統(tǒng)計信息操作。 Maxim MAXQ612 MCU的功能說明了一些最常見的計數(shù)模式，下面的圖1顯示了一些示例。圖底部的表格顯示了定時器B的三種常見自主操作模式，MAXQ612定時器/計數(shù)器模塊：自動重載，捕獲和pp/向下計數(shù)。右上角的圖顯示了自動重載模式的框圖。定時器B的時鐘輸入可以來自時鐘預(yù)分頻器，可以通過8種不同的設(shè)置或外部引腳分頻系統(tǒng)時鐘?？刂莆籘RB使能或禁止定時器B操作。定時器值寄存器（TVB）在計時時及其達(dá)到存儲在定時器B重載寄存器（TBR）中的值時計數(shù)，并產(chǎn)生中斷并將TVB復(fù)位為零。這提供了一種創(chuàng)建延遲的簡單方法，而不會占用寶貴的CPU周期來創(chuàng)建延遲。外部引腳也可用于將TVB重置為零，如果預(yù)期輸入未在預(yù)期的時間內(nèi)顯示，則此模式可用于創(chuàng)建超時。

圖1：Maxim MAXQ612 MCU示例計數(shù)器/定時器模式。 （由Maxim提供）

圖1右上方的框圖說明了捕獲模式的操作。在此模式下，時鐘預(yù)分頻器和啟用/禁用功能與自動重載模式下的相同。當(dāng)TBV寄存器溢出并產(chǎn)生可選中斷時，它會向上計數(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獲寄存器TBR中，并且可以產(chǎn)生中斷EXFB。此模式可用于計算外部信號上升沿之間的時鐘數(shù)，以確定信號頻率或信號延遲。因此，定時器可以使CPU免于進(jìn)行周期密集的計數(shù)操作，因此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器/計數(shù)器操作，例如up/down auto-reload，其中外部引腳控制計數(shù)器的方向。該模式有助于解碼各種脈沖寬度調(diào)制信號，例如機(jī)電傳感器中使用的信號。時鐘輸出模式可用于使用系統(tǒng)時鐘，預(yù)分頻器和定時器B的終端計數(shù)創(chuàng)建簡單的輸出時鐘。最后，脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出模式可以生成邊沿對齊信號用于常見的PWM應(yīng)用，如電機(jī)控制應(yīng)用。

用于電機(jī)控制的PWM計數(shù)器/定時器功能

一些最先進(jìn)的定時器/計數(shù)器功能用于電機(jī)控制的PWM應(yīng)用。這些計數(shù)器使用專用硬件實現(xiàn)盡可能多的與電機(jī)相關(guān)的PWM功能，以釋放處理器以執(zhí)行更高級別的功能。電機(jī)控制PWM計數(shù)器/定時器的基本操作在大多數(shù)制造商實施和NXP LPC 17xx PWM定時器之間是常見的，該定時器針對三相交流和直流電機(jī)控制應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，提供了一個很好的例子。如圖2所示，電機(jī)控制PWM模塊的功能看起來相當(dāng)復(fù)雜，直到您意識到基本PWM定時器通道有三個副本;一個在左邊，一個在中間，一個在右邊。具有三個通道使得可以使用單個定時器/計數(shù)器來控制三相電動機(jī)，從而實現(xiàn)非常有效的實施。每個通道控制一對輸出，這些輸出又可以控制芯片外的某些東西，就像電機(jī)中的一組線圈一樣。每個通道都包含一個定時器/計數(shù)器（TC）寄存器，該寄存器由處理器時鐘（定時器模式）或輸入引腳（計數(shù)器模式）遞增。

圖2：恩智浦LPC 17xx PWM定時器/計數(shù)器。 （由恩智浦提供）

每個通道都有一個限制寄存器，與TC值進(jìn)行比較，當(dāng)匹配發(fā)生時，TC以兩種方式之一“復(fù)位”。在邊沿對齊模式下，TC復(fù)位為0，而在中心模式下，匹配將TC切換為每個處理器時鐘或輸入引腳轉(zhuǎn)換的遞減，直到達(dá)到0，此時它再次開始向上計數(shù)。

每個通道還包括一個匹配寄存器，其值小于限制寄存器。在邊沿對齊模式下，只要TC匹配匹配或限制寄存器，就切換通道的輸出，而在中心對齊模式下，只有當(dāng)它與匹配寄存器匹配時才切換。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狀態(tài)中花費的每個周期的多少。如果輸出被集成到電壓中，則限制寄存器中的值較小會使紋波最小化，并允許電機(jī)控制PWM定時器控制高速運(yùn)行的設(shè)備。

所有這些通道硬件元件一起工作控制兩個輸出A和B，它們可以驅(qū)動一對晶體管在兩個電源軌之間切換控制點。大多數(shù)情況下，兩個輸出具有相反的極性，但是可以啟用死區(qū)時間功能（基于每個通道）以延遲兩個信號從被動狀態(tài)到活動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而晶體管永遠(yuǎn)不會同時開啟。每個輸出對的狀態(tài)可以被認(rèn)為是高，低，浮動或上，下和中心關(guān)閉。每個通道從有源和無源到高和低的映射都是可編程的，每個通道都可以執(zhí)行邊沿對齊和中心對齊的脈沖寬度調(diào)制。圖3顯示了兩個輸出配置示例。左邊的那個是中心對齊的，沒有任何死區(qū)時間。右邊的那個插入死區(qū)時間（DT）以確保兩個輸出同時不活動。

圖3：恩智浦LPC17xx電機(jī)控制PWM定時器/計數(shù)器示例輸出配置。 （由NXP提供）

電機(jī)控制PWM定時器還包括多個中斷源，以便于通知處理器需要更高級別的電機(jī)控制功能。這些中斷以通道為基礎(chǔ)進(jìn)行組織，可以指示TC何時匹配匹配寄存器，TC何時匹配限制寄存器，當(dāng)通道捕獲TC的值到其捕獲寄存器時或中止輸入變?yōu)橛行r。 LPC17xx還具有多個支持外設(shè)，可簡化更高級別的控制功能，包括正交編碼器接口，附加PWM模塊，中斷定時器和看門狗定時器。各種各樣的專用定時功能表明了基于MCU的設(shè)計時序功能的重要性。

其他專用定時功能

在許多現(xiàn)代MCU上，定時和計數(shù)功能已成為隨著制造商針對特定應(yīng)用領(lǐng)域而日益專業(yè)例如，飛思卡爾Kinetis K10系列（例如MK10DN512ZVLQ10）具有各種具有專用功能的定時和計數(shù)外設(shè)。這些外設(shè)包括：可編程延遲模塊，用于控制ADC和DAC操作，使處理器無需管理這些低級過程;靈活的定時模塊，提供多個定時，計數(shù)，輸入捕獲和輸出通道，支持照明和電動機(jī)的電源管理和控制;周期性中斷定時器，可以自主管理外設(shè)中斷和DMA傳輸;一個非常低功耗的定時器，即使在MCU處于最低功耗狀態(tài)時也可以工作，以提供簡單的周期性“喚醒”事件;和一個實時時鐘，可以保持準(zhǔn)確的時間，甚至可以在MCU完全斷電時關(guān)閉電池，使其成為系統(tǒng)操作和壽命數(shù)據(jù)的便捷來源。

K10系列還提供專用時鐘和定時功能，專用于特定模塊，因此不會消耗其他時序資源。例如，用于創(chuàng)建各種信號編碼方案（例如紅外通信中使用的協(xié)議）的載波調(diào)制器發(fā)送器塊具有其自己的專用定時和計數(shù)功能，非常類似于脈沖寬度調(diào)制計數(shù)器，管理與頻移鍵控編碼方案相關(guān)的脈沖寬度的變化。隨著MCU變得更具應(yīng)用和市場細(xì)分，這種專用定時和計數(shù)功能的趨勢有望繼續(xù)。

開發(fā)套件加快了產(chǎn)品上市時間

隨著MCU變得更具應(yīng)用性，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。電機(jī)控制應(yīng)用可能是特定應(yīng)用套件的最常見示例之一。僅舉一個例子，瑞薩提供了一個完整的電機(jī)控制開發(fā)套件，如圖4所示的YMCRPRX62T，它甚至包括一個示例電機(jī)。該套件包含您在多種電機(jī)控制設(shè)計中評估瑞薩RX62T MCU所需的所有軟件和示例設(shè)計。 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)計中獲得最佳結(jié)果。許多其他制造商也擁有與瑞薩RX62T具有一些類似功能的電機(jī)控制評估套件。尋找最適合您的目標(biāo)應(yīng)用和開發(fā)環(huán)境的套件，以利用大量工作制造商“捆綁”來幫助您加速您的下一個電機(jī)控制設(shè)計。

圖4：用于RX62T MCU系列的瑞薩電機(jī)控制開發(fā)套件。 （由Renesas提供）