ATtiny88初体验（二）：呼吸灯

ATtiny88初体验（二）：呼吸灯

前面的“点灯”实验实现了间隔点亮/熄灭LED，但是间隔时间和亮度都没法控制，为了解决这个问题，可以使用ATtiny88的定时器模块。

ATtiny88单片机含有2个定时器，定时器0是8bit的，定时器1是16bit的，其中定时器1支持PWM功能。查询手册得知，定时器1的两个通道的输出脚为PB1和PB2，而MH-ET LIVE Tiny88核心板的LED连接的是PD0脚，因此无法利用定时器1的PWM功能控制板载LED。这里介绍基于定时器0，通过软件模拟PWM控制板载LED的方法。

定时器0介绍

ATtiny88的定时器0是一个8bit的定时器，拥有两个独立的输出比较单元，支持CTC模式，拥有三个独立的中断源（TOV0，OCF0A，OCF0B）。

定时器0的时钟源可以是由内部时钟源分频而来，也可以是来自T0（PD4）引脚的外部时钟源。

注意：在使用定时器0时，务必确保 PRR 寄存器中的 PRTIM0 位值为0。

普通模式

在普通模式下， TCNT0 寄存器的值从0x00一直增加到0xFF，然后回到0x00，如此往复。当 TCNT0 寄存器的值回到0x00时， TOV0 标志位置位，同时触发 TIMER0_OVF 中断。

当 TCNT0 寄存器的值与 OCR0x 寄存器的值相等时， OCF0x 标志位将在下一个时钟置位，同时触发 TIMER0_COMPx 中断。

CTC模式

在CTC（Clear Timer on Compare Match）模式下， TCNT0 寄存器的值从0x00一直增加到和 OCR0A 寄存器相等，然后回归到0x00。当 TCNT0 寄存器的值回到0x00时， OCF0A 标志位置位，同时触发 TIMER0_COMPA 中断。

寄存器

• CTC0 ：CTC模式， 0 为普通模式， 1 为CTC模式。
  
• CS0[2:0] ：时钟源选择。
  

• OCIE0B ：置 1 时使能 TIMER0_COMPB 中断。
• OCIE0A ：置 1 时使能 TIEMR0_COMPA 中断。
• TOIE0 ：置 1 时使能 TIMER0_OVF 中断。

• OCF0B ：定时器0输出比较B匹配标志位，执行中断处理函数时自动清除，或者可以写 1 清除。
• OCF0A ：定时器0输出比较A匹配标志位，执行中断处理函数时自动清除，或者可以写 1 清除。
• TOV0 ：定时器0溢出标志位，执行中断处理函数时自动清除，或者可以写 1 清除。

控制LED闪烁周期

利用ATtiny88定时器0的CTC模式可以灵活控制LED的闪烁周期， OCR0A 寄存器的值可以通过下式计算得到：

\[OCR0A = time \times f_{T0} - 1 = time \times \frac{f_{IO}}{prescaler} - 1 \]

代码文件的组织结构如下：

.
├── Makefile
├── inc
└── src
    └── main.c

其中 src/main.c 源文件的内容如下：

#include <stdint.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

int main(void)
{
    cli();                          // disable global interrupt

    DDRD |= _BV(DDD0);              // set PD0 as output
    PORTD |= _BV(PORTD0);           // PD0 outputs high level

    TCNT0 = 0;                      // clear counter
    OCR0A = 249;                    // reload value, 1ms
    TCCR0A = _BV(CTC0) | _BV(CS01) | _BV(CS00);
                                    // CTC mode, prescaler = 64, clk_t0 = 250KHz
    TIFR0 = _BV(OCF0A);             // clear OCF0A flag
    TIMSK0 = _BV(OCIE0A);           // enable TIMER0_COMPA interrupt

    sei();                          // enable global interrupt

    for (;;);                       // wait for interrupt
}

ISR(TIMER0_COMPA_vect)
{
    static uint16_t count = 0;

    uint8_t sreg = SREG;            // store the status register
    if (++count == 500) {
        count = 0;
        PIND = _BV(PIND0);          // toggle PD0 every 500ms
    }
    SREG = sreg;                    // restore the status register
}

上述代码设置定时器0的时钟分频系数为64，即 \(f_{T0} = \frac{16MHz}{64} = 250KHz\) ；设置定时周期为1毫秒，即 \(OCR0A = 10^{-3}s \times 250KHz - 1 = 249\) ；同时，开启 TIMER0_COMPA 中断。在中断函数中，每500个周期翻转一次PD0的电平状态，实现了LED以1秒为周期的闪烁功能。

控制LED亮度

利用ATtiny88定时器0的普通模式，可以实现软件PWM功能，PWM的频率和占空比可以通过下式计算得到：

\[f_{PWM} = \frac{f_{T0}}{256} = \frac{f_{IO}}{prescaler \times 256} \]

\[duty = \frac{OCR0A + 1}{256} \]

代码文件的组织结构如下：

.
├── Makefile
├── inc
└── src
    └── main.c

其中 src\main.c 源文件的内容如下：

#include <stdint.h>
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>

int main(void)
{
    cli();                              // disable global interrupt

    DDRD |= _BV(DDD0);                  // set PD0 as output
    PORTD &= ~_BV(PORTD0);              // PD0 outputs low level

    TCNT0 = 0;                          // clear counter
    OCR0A = 0;                          // clear compare value
    TCCR0A = _BV(CS01) | _BV(CS00);     // normal mode, prescaler = 64, clk_t0 = 250KHz, f_pwm = 977Hz
    TIFR0 = _BV(OCF0A) | _BV(TOV0);     // clear OCF0A & TOV0 flag
    TIMSK0 = _BV(OCIE0A) | _BV(TOIE0);  // enable TIMER0_COMPA & TIMER0_OVF interrupt

    sei();                              // enable global interrupt

    for (;;);                           // wait for interrupt
}

ISR(TIMER0_COMPA_vect)
{
    uint8_t sreg = SREG;                // store the status register
    PORTD &= ~_BV(PORTD0);              // PD0 outputs low level
    SREG = sreg;                        // restore the status register
}

ISR(TIMER0_OVF_vect)
{
    static uint8_t count = 0;
    static int8_t inc = 1;

    uint8_t sreg = SREG;                // store the status register
    PORTD |= _BV(PORTD0);               // PD0 outputs high level
    if (++count == 10) {
        OCR0A += inc;                   // increase / decrease PWM duty every 10 cycles
        if (OCR0A == 0xFF) {
            inc = -1;
        } else if (OCR0A == 0) {
            inc = 1;
        }
        count = 0;
    }
    SREG = sreg;                        // restore the status register
}

上述代码设置定时器的时钟分频系数为64，则PWM的频率为 \(f_{PWM} = \frac{16MHz}{64 \times 256} \approx 977Hz\) ，并开启了 TIMER0_COMPA 和 TIMER0_OVF 中断。在 TIMER0_COMPA 中断里PD0输出低电平，在 TIMER0_OVF 中断里PD0输出高电平，另外每10个周期增加/减少一次占空比。

将代码下载到单片机后，板载LED将呈现呼吸灯的效果，由灭慢慢变亮，再由亮慢慢变灭。同时，将PD0引脚连接到示波器，可以看到频率为977Hz左右的PWM波，且占空比在规律变化，如下图所示：

注意：这种方法产生的PWM最低占空比为 \(\frac{1}{255}\) ，最高占空比介于 \(\frac{255}{256}\) 和1之间，这是因为虽然理论上 OCR0A 寄存器设置为255时占空比为1，但是在这种情况下 TIMER0_COMPA 和 TIMER0_OVF 这两个中断会同时产生，而 TIMER0_COMPA 中断的优先级比 TIMER0_OVF 高，因此会先执行 TIMER0_COMPA 中断，执行完后再执行 TIMER0_OVF 中断，所以PD0会输出一个时间很短的低电平脉冲，导致实际占空比达不到1。

参考资料

1. ATtiny88 Datasheet
2. Programming and Interfacing ATMEL's AVRs