基于 MCU 的新定時器/計數(shù)器功能設計

　　定時器和計數(shù)器可能是 MCU 設計中最普遍的外設。幾乎任何應用程序都可以使用定時器或計數(shù)器來提高性能、降低功耗或簡化設計，方法是用簡單的定時器或計數(shù)器中斷代替重復或循環(huán)的 CPU 操作。但是，您可能沒有使用過一些較新的定時器/計數(shù)器單元，而現(xiàn)在可用的一些高級功能可以進一步改進您的設計。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設計的新定時器/計數(shù)器功能，特別強調自主操作和電機控制的功能。

　　定時器和計數(shù)器模式：從簡單到高級

　　定時器和計數(shù)器從一些非常簡單的操作模式開始，以取代用于計算外部事件、計時內(nèi)部和外部操作以及收集關鍵 MCU 操作的各種統(tǒng)計數(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器B、MAXQ612定時器/計數(shù)器模塊的三種常見自主操作模式：自動重載、捕獲和pp/遞減計數(shù)。右上圖顯示了自動重載模式的框圖。Timer B 的時鐘輸入可以來自一個時鐘預分頻器，它可以用八種不同的設置對系統(tǒng)時鐘進行分頻，或者來自一個外部引腳。控制位 TRB 啟用或禁用定時器 B 操作。定時器值寄存器 （TVB） 在計時并達到定時器 B 重載寄存器 （TBR） 中存儲的值并產(chǎn)生中斷并將 TVB 復位為零時向上計數(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 示例計數(shù)器/定時器模式。（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，時鐘預分頻器和啟用/禁用功能與自動重載模式相同。TBV 寄存器在溢出并產(chǎn)生可選中斷時向上計數(shù)并復位為零。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，計時器將 CPU 從執(zhí)行周期密集型計數(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。

　　MAXQ612支持其他幾種常見的定時器/計數(shù)器操作，例如向上/向下自動重載，外部引腳控制計數(shù)器的方向。此模式有助于解碼各種脈寬調制信號，例如用于機電傳感器的信號。時鐘輸出模式可用于使用系統(tǒng)時鐘、預分頻器和定時器 B 的終端計數(shù)來創(chuàng)建簡單的輸出時鐘。最后，脈沖寬度調制 （PWM） 輸出模式可以生成邊沿對齊信號用于常見的 PWM 應用，例如用于電機控制的應用。

　　用于電機控制的 PWM 計數(shù)器/定時器功能

　　一些最先進的定時器/計數(shù)器功能用于電機控制的 PWM 應用。這些計數(shù)器使用專用硬件盡可能多地實現(xiàn)與電機相關的 PWM 功能，以釋放處理器以執(zhí)行更高級別的功能。電機控制 PWM 計數(shù)器/定時器的基本操作在大多數(shù)制造商實現(xiàn)中都很常見，而NXP LPC 17xx PWM 定時器中的那些實現(xiàn)提供了一個很好的示例，該定時器針對三相交流和直流電機控制應用進行了優(yōu)化。如圖 2 所示，電機控制 PWM 模塊的功能可能看起來相當復雜，直到您意識到基本 PWM 定時器通道存在三個副本；一個在左邊，一個在中間，一個在右邊。擁有三個通道可以使用單個定時器/計數(shù)器來控制三相電機，從而實現(xiàn)非常有效的實施。每個通道控制一對輸出，而這些輸出又可以控制芯片外的某些東西，例如電機中的一組線圈。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：NXP LPC 17xx PWM 定時器/計數(shù)器。（恩智浦提供）

　　每個通道都有一個與 TC 值進行比較的限制寄存器，當發(fā)生匹配時，TC 會以兩種方式之一“復位”。在邊沿對齊模式下，TC 復位為 0，而在中心模式下，匹配將 TC 切換為在每個處理器時鐘或輸入引腳轉換時遞減，直到達到 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，其保存的值小于限制寄存器。在邊緣對齊模式下，只要 TC 與匹配或限制寄存器匹配，通道的輸出就會切換，而在中心對齊模式下，它們僅在匹配匹配寄存器時才會切換。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，并允許電機控制 PWM 定時器控制高速運行的設備。

　　所有這些通道硬件元件共同控制兩個輸出，A 和 B，它們可以驅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，但可以啟用死區(qū)功能（基于每個通道）以延遲兩個信號從無源狀態(tài)到有源狀態(tài)的轉換，從而使晶體管永遠不會同時開啟。每個輸出對的狀態(tài)可以被認為是高、低和浮動或向上、向下和中心關閉。每個通道從有源和無源到高低的映射都是可編程的，并且每個通道都可以執(zhí)行邊緣對齊和中心對齊的脈寬調制。圖 3 顯示了輸出配置的兩個示例。左邊的那個是中心對齊的，沒有任何死區(qū)時間。

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

　　電機控制 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控制功能。這些中斷是按通道組織的，可以指示 TC 何時與匹配寄存器匹配、TC 何時與限制寄存器匹配、通道何時將 TC 的值捕獲到其捕獲寄存器或中止輸入何時有效。LPC17xx 還具有多個支持外設，可簡化高級控制功能，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。這種種類繁多的專用時序功能表明時序功能對于基于 MCU 的設計變得多么重要。

　　其他專門的計時功能

　　在許多現(xiàn)代 MCU 上，隨著制造商針對特定應用領域，計時和計數(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時和計數(shù)外設。這些外設包括： 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進程；靈活的定時模塊，提供多個定時、計數(shù)、輸入捕捉和輸出比較通道，以支持照明和電動機的電源管理和控制；可以自主管理外設中斷和 DMA 傳輸?shù)闹芷谛灾袛喽〞r器；一個非常低功耗的定時器，即使在 MCU 處于最低功耗狀態(tài)時也可以運行，以提供簡單的周期性“喚醒”事件；實時時鐘，保持準確時間，甚至在MCU完全斷電時也可以使用電池供電，方便獲取系統(tǒng)運行和壽命數(shù)據(jù)。

　　K10 系列還提供專用于特定模塊的專用時鐘和計時功能，因此不會消耗其他計時資源。例如，用于創(chuàng)建各種信號編碼方案（如紅外線通信中的協(xié)議）中使用的協(xié)議的載波調制器發(fā)射器模塊具有自己的專用定時和計數(shù)功能，很像脈寬調制計數(shù)器，管理與頻移鍵編碼方案相關的脈沖寬度變化。隨著 MCU 變得更加特定于應用和細分市場，這種專用計時和計數(shù)功能的趨勢預計將繼續(xù)下去。

　　開發(fā)套件加快上市時間

　　隨著 MCU 變得更加特定于應用，制造商正在創(chuàng)建更多面向應用的開發(fā)套件和參考設計。電機控制應用可能是特定應用套件最常見的示例之一。舉個例子，瑞薩電子提供了一套完整的電機控制開發(fā)套件，YMCRPRX62T如圖 4 所示，其中甚至包括一個示例電機。該套件隨附您在多個電機控制設計中評估瑞薩電子 RX62T MCU 所需的所有軟件和示例設計。由 PC 托管的演示圖形用戶界面顯示電機速度、電壓和電流，同時允許用戶調整參數(shù)和算法以直接查看各種結果，以幫助調整電機運行，從而在特定設計中獲得最佳結果。許多其他制造商也提供具有與瑞薩 RX62T 類似功能的電機控制評估套件。尋找與您的目標應用和開發(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電機控制設計。

　　定時器和計數(shù)器是 MCU 最熟悉的外設，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計。本文討論了一些新的和高級的特性，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。