定時器和計數器可能是 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器中斷代替重復或循環的 CPU 操作。但是，您可能沒有使用過一些較新的定時器/計數器單元，而現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。

　　定時器和計數器模式：從簡單到高級

　　定時器和計數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、計時內部和外部操作以及收集關鍵 MCU 操作的各種統計數據的通用程序循環。Maxim MAXQ612中的特性說明了一些最熟悉的計數模式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。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） 中存儲的值并產生中斷并將 TVB 復位為零時向上計數。這提供了一種簡單的方法來創建延遲，而無需使用寶貴的 CPU 周期來創建延遲。

　　圖 1：Maxim MAXQ612 MCU 示例計數器/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 寄存器在溢出并產生可選中斷時向上計數并復位為零。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以確定信號頻率或信號延遲。因此，計時器將 CPU 從執行周期密集型計數操作中解放出來，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/計數器操作，例如向上/向下自動重載，外部引腳控制計數器的方向。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時鐘、預分頻器和定時器 B 的終端計數來創建簡單的輸出時鐘。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 計數器/定時器功能

　　一些最先進的定時器/計數器功能用于電機控制的 PWM 應用。這些計數器使用專用硬件盡可能多地實現與電機相關的 PWM 功能，以釋放處理器以執行更高級別的功能。電機控制 PWM 計數器/定時器的基本操作在大多數制造商實現中都很常見，而NXP LPC 17xx PWM 定時器中的那些實現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/計數器來控制三相電機，從而實現非常有效的實施。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（計數器模式）遞增。

　　圖 2：NXP LPC 17xx PWM 定時器/計數器。（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。

　　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。大多數情況下，兩個輸出具有相反的極性，但可以啟用死區功能（基于每個通道）以延遲兩個信號從無源狀態到有源狀態的轉換，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，沒有任何死區時間。

　　圖 3：NXP LPC17xx 電機控制 PWM 定時器/計數器示例輸出配置。（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

　　在許多現代 MCU 上，隨著制造商針對特定應用領域，計時和計數功能變得越來越專業化。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、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 傳輸的周期性中斷定時器；一個非常低功耗的定時器，即使在 MCU 處于最低功耗狀態時也可以運行，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，方便獲取系統運行和壽命數據。

　　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，用于創建各種信號編碼方案（如紅外線通信中的協議）中使用的協議的載波調制器發射器模塊具有自己的專用定時和計數功能，很像脈寬調制計數器，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功能的趨勢預計將繼續下去。

　　開發套件加快上市時間

　　隨著 MCU 變得更加特定于應用，制造商正在創建更多面向應用的開發套件和參考設計。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環境最匹配的套件，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。

　　定時器和計數器是 MCU 最熟悉的外設，但充分利用它們可以確保您節省功耗、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。