单片机：实现计数器（附带源码）

一、单片机计数器功能概述

单片机中的计数器一般是由硬件定时器模块实现的，计数器可以被配置为不同的模式，例如：

普通计数模式：计数器从零开始增加，直到某个最大值后清零或中断。
事件计数模式：计数器根据外部信号（例如脉冲信号）进行计数。
定时模式：计数器根据时钟信号进行计数，常用于定时器的实现。

单片机计数器的常见应用场景包括：

测量事件的发生次数（如脉冲计数）。
精确控制时间间隔（如定时器）。
实现PWM信号生成等。

本文以一个基于STM32单片机的简单计数器例子为基础，逐步讲解如何实现计数器的功能。

二、硬件平台介绍

我们以STM32系列单片机为例，它拥有多个定时器模块，可以配置为计数器模式，且支持外部事件触发。STM32的定时器有丰富的功能，可以灵活配置为各种模式来满足计数器需求。

本例使用STM32F103系列单片机，并假设使用标准库来操作硬件。STM32F103拥有多个定时器（如TIM1, TIM2, TIM3等），每个定时器都支持16位或32位的计数功能，并且可以通过外部引脚触发。

三、计数器源码实现

以下是一个简单的计数器实现例子：使用STM32F103的TIM2定时器在计数模式下计数外部信号的脉冲数，并在计数达到一定值后触发中断。

#include "stm32f10x.h"

// 定义计数器的最大值
#define COUNTER_MAX 1000

// 计数器变量
volatile uint32_t counter_value = 0;

// 中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        // 计数器溢出，重置计数器
        counter_value++;
        
        if (counter_value >= COUNTER_MAX) {
            // 当计数达到最大值时，执行一些操作
            // 在此可以添加额外的功能，如LED闪烁、发送信号等
            counter_value = 0;  // 重置计数器
        }

        // 清除中断标志
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
}

void Timer_Init(void) {
    // 1. 开启TIM2时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    // 2. 配置TIM2为计数模式
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStructure;
    TIM_InitStructure.TIM_Prescaler = 7199;  // 分频值，将系统时钟72MHz分频为10kHz
    TIM_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  // 向上计数
    TIM_InitStructure.TIM_Period = 999;  // 自动重载寄存器，设置计数周期
    TIM_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_InitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;

    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_InitStructure);

    // 3. 启用TIM2更新中断
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);

    // 4. 配置并使能中断
    NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

    // 5. 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

int main(void) {
    // 系统初始化
    SystemInit();

    // 初始化计时器
    Timer_Init();

    // 主循环
    while (1) {
        // 这里可以执行其他任务
        // 计数器的工作是由中断触发的，因此主循环可以空转
    }
}

1. `RCC_APB1PeriphClockCmd`

作用：启用单片机外设的时钟，使得相应外设可以正常工作。在这段代码中，它的作用是启动定时器 TIM2 的时钟。
工作原理：STM32单片机的每个外设都需要通过相应的时钟源来供电，只有时钟使能后，外设才会工作。比如，在计时器的例子中，RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); 用于启动 TIM2 定时器模块的时钟。

2. `TIM_TimeBaseInit`

作用：初始化定时器的基本设置，配置定时器的计数模式、预分频器、自动重载值等。
工作原理：
- 计数模式 (TIM_CounterMode)：决定了定时器计数的方向（向上、向下或向上/下计数）。在这段代码中使用的是向上计数模式 TIM_CounterMode_Up，即计数器的值从 0 开始，逐步增大。
- 预分频器 (TIM_Prescaler)：设定定时器的时钟频率，通常用于降低定时器时钟频率以适应应用需求。例如，如果系统时钟为 72 MHz，设置预分频器为 7199，将定时器的频率降到 10 kHz（72 MHz / 7200）。这样可以使定时器每 1 毫秒溢出一次。
- 自动重载寄存器 (TIM_Period)：设定定时器的最大计数值，通常作为定时器的溢出条件。例如，TIM_Period = 999 表示定时器的计数值最大为 999，达到此值时会溢出。

3. `TIM_ITConfig`

作用：启用定时器的中断功能。定时器每次溢出时，如果启用了中断，CPU 会跳转到中断处理函数。
工作原理：当定时器计数达到预设的溢出值（即 TIM_Period），定时器会触发更新事件。如果启用了更新中断（TIM_IT_Update），则会触发中断请求并进入对应的中断处理函数 TIM2_IRQHandler。
- 例如，TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE); 会使得 TIM2 在溢出时触发中断。

4. `NVIC_EnableIRQ`

作用：启用外部中断的请求。STM32的中断控制器（NVIC）管理所有外部中断，使用该函数使能中断。
工作原理：STM32的外设中断会被NVIC管理，通过该函数可以开启对应定时器的中断服务功能。
- 例如，NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn); 会启用 TIM2 的中断请求，当 TIM2 溢出时，会跳转到中断服务函数 TIM2_IRQHandler。

5. `TIM_Cmd`

作用：启动定时器。调用该函数后，定时器开始计数。
工作原理：通过设置定时器的启用标志，将定时器设置为工作状态。只有在定时器启动之后，计数器才开始执行计数任务。
- 例如，TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); 启动 TIM2 定时器，使其开始按照预定的频率进行计数。

6. `TIM2_IRQHandler`

作用：定时器 TIM2 的中断服务函数（ISR）。定时器每次溢出时会触发该中断。
工作原理：
- 在 TIM2_IRQHandler 中，我们检查是否是定时器溢出中断发生，通常使用 TIM_GetITStatus 来确认。
- 当定时器溢出时，counter_value 增加 1。如果计数器的值超过设定的最大值 COUNTER_MAX，则执行相应的操作（如重置计数器）。
- 最后，调用 TIM_ClearITPendingBit 清除中断标志，防止中断请求重复触发。