AVR8位单片机PWM、ADC的使用
在32位机价格一路卷到几毛钱的今天，8位机的生存空间被一再压缩，目前市场上常见的8位机基本就4种架构：8051，STM8，PIC，AVR。51应该是大部分电子类专业学生的启蒙老师，经典的bit操作和寄存器，还记得点亮第一个LED的喜悦，不过在轻量化，智能化，小封装的各种需求下，8位机逐渐不够看了，尤其是智能化，8位机粗糙的ALU和简陋的外设完全不够用。但是8位机仍有部分暂时无法取代的优势，比如极低功耗，5V逻辑电平无需转换，价格便宜，还有就是存量市场，旧方案一般不会轻易改动。
我现在手里的就是存量方案，之前已经稳定使用，所以不能轻易换，芯片是ATtiny85，ATmel(被Microchip收购)公司出品，在各大电子商城上可以看到价格并不便宜，即使最大批量还是要10块钱一个，体积也不算小，属实是坑爹，不过已经成熟的方案也没什么好抱怨的，接下来记录一下一些常规用法。
我们使用的是SOP8封装，初次使用需要注意这个SOP8比常规的SOP8胖一些，所以画封装时，两列引脚间距要加宽，两外它有6个通用IO，不过注意到PB5和RESET复用，这个脚一般不能当IO用，需要上拉，想要用作IO除非引脚非常紧张，而且要通过改熔丝位来启用它，一旦启用，就没法当RESET用，也没法烧录了。
所以强烈不建议用PB5作IO。
ATtiny85用SPI口下载程序，需要用到PB0，PB1，PB2，PB5加上VCC和GND，6个引脚。
VCC <-> +1.8V ~ +5.5V
MISO <-> MISO
MOSI <-> MOSI
SCL <-> SCL
RESET <-> RESET
GND <-> GND
下载器需要购买AVR-ISP或者PICKIT，部分商家出售仿品。
这次我们用PB1，PB4作PWM输出，对应OC1A，OC1B，PB2做ADC采样，这样设置没有冲突，OC1A和OC1B使用了芯片的Timer/Counter1，相比Timer/Counter0，无法使用相位可调的PWM，不过项目只需要用到PWM调光，因此普通PWM足够。至于ADC，是打算用来换色的，通过不同电平来决定亮起的颜色。所以在上面的基础还要再添加一个IO输出，对于ATtiny85来说依然够用。
接线不在这里展开，这篇笔记用于记录程序写法，AVR单片机开发需要使用ATmel Studio，集成了工具链无需自行配置，而库文件则是官方的avrlib，需要注意AVR不支持bit操作，而是纯寄存器操作，从51转过来的需要时间适应。
下面简单介绍一下AVR单片机的PWM和ADC外设：
一个PWM波形需要有频率和占空比，AVR单片机如何通过Timer/Counter输出周期信号呢，方法就是问现成的周期信号借，而现有的周期信号就是主时钟，主时钟给你了信号，但是占空比是固定的，怎么调整？办法就是数数，数到设定的脉冲数，信号就发生跳变，再数到下一个设定的脉冲数，再发生跳变，这样就通过数数和跳变，生成了一个新的周期信号。下图是datasheet中的原理图，OCn(也就是输出通道)会在TCNTn达到寄存器OCRnx设定值时被置0，数到最大值255时再次置1，周期是固定的，即0数到255的时间，另一路
OCn
输出的极性相反，据此可以得到输出PWM的频率为:其中fclk为主时钟频率，一般Attiny85内置晶振是8M，但主时钟是默认经过分频的1M，想用8M时钟需要禁用熔丝位CLKDIV，N为分频倍率，由CSx设定。
由于我们使用的不是Timer/Counter0而是Timer/Counter1，他们的配置和功能不完全一样，所幸的是，都能输出PWM波形(Timer/Counter1没有介绍PWM波形生成原理，故只能贴一张Timer/Counter0的)。Timer/Counter1配置PWM输出原理基本一致，根据上面的介绍，完成PWM配置需要设置分频，设置计数值OCRnx，还有输出极性，输出通道，除了这4项，还有一些配置，这里总结一下：
CS[13:10] 分频1~65536倍，Timer/Counter0最多256倍，属于TCCR1
PMW1A、PWM1B OC1A、OC1B通道PWM使能，PWM1A属于TCCR1，PWM1B属于GTCCR
OCR1A、OCR1B 两路PWM计数值，达到后OC1A，OC1B分别输出0，都是独立8位寄存器
OCR1C 计数封顶值TOP，达到后OCn置位，Timer/Counter1独有，
比如TC0的计数器固定在255时置位，TC1可以修改为128，64等
独立8位寄存器
COM1A[1:0]、COM1B[1:0] 设置输出极性，COM1A属于TCCR1，COM1B属于GTCCR
TCNT1 计数值，启动后开始根据时钟周期数自增，独立8位寄存器
CTC1 使能该位，让TCNT1达到TOP后清零，否则TCNT1在达到TOP后会
继续自增(OCn也不会在达到TOP时清零)
DDRB 将PB1，PB4配置为输出，独立8位寄存器
其他的寄存器我们可以暂时忽略。
由此我们可以写出一个简单的初始化代码：
#include<avr/io.h>
#include<util/delay.h> //这两个头文件分别包含外设和延时各项定义
void init_PWM(void)
{
DDRB |= (1 << PB1) | (1 << PB4);
TCNT1 = 0； //TCNT1清零
OCR1C = 255; //计数封顶值255
OCR1A = 64; //OC1A占空比25%
OCR1B = 128; //OC1B占空比50%
TCCR1 |= （1 << CTC1）| (1 << CS12) | (1 << CS11) | (1 << CS10)
| (1 << PWM1A) | (1 << COM1A1); //64倍分频，启用PWM功能，OC1A极性不翻转
GTCCR |= (1 << PWM1B) | (1 << COM1B1); //启用通道B的PWM功能，OC1B极性不翻转
}
这样一个PWM初始化函数就写好了。接下来我们再看一看ADC的原理和使用。
ADC的原理可以分为FLASH，SAR，积分器，∑-∆，流水线等，FLASH是最简单的一种，就是用到大量并列的比较器和一串分压电阻，每个比较器都接到输入电压和一串的分压节点上，这样通过比较器输出的01值表示电平的数值。FLASH实现最简单，转换速度也快，但是电路资源消耗较大，功耗也大，不适合做成高分辨率的ADC。其他几种ADC原理比较复杂，感兴趣的可自行搜索。
ADC的流程包括采样，保持，量化，编码，采样就是按时间间隔采集引脚上的电平，保持就是在不采样的时候，维持住之前采样的电平，量化就是把采到电压分成离散的电平值，编码就是把量化后的电平值通过二进制表示。
ATtiny85的ADC最高10bit，也可以设置为8bit，但由于本身是8位机，读出10位ADC结果要读两个寄存器，精度要求不高的场合，直接用8bit就够了。ATtiny85有4路可选的ADC通道，PB2，PB3，PB4，PB5(RESET脚，不推荐)，但是它内部只有一个ADC转换器，所以不能同时使用多路输入，不过它还有一路内置的温度采样同样用到了ADC，但不需要外接引脚，此外，ATtiny85的ADC支持差分输入；ATtiny85的参考电压可以设为内部的1.1V，2.56V，外部VCC，或者用户自定义的VREF；ADC采样周期类似于Timer，都需要问主时钟借，所以也同样需要分频器这个东西。
根据上面的描述，配置ADC需要设置位数/分辨率，参考电压，输入通道，还有一些依附的参数，下面总结一下用到的寄存器：
MUX[3:0] 输入选择，可配置单通道，差分，温度采样，属于ADMUX寄存器
REF[2:0] 选择参考电压，属于ADMUX寄存器
ADLAR 转换结果左对齐，作用就是设置分辨率为8bit，不启用则为10bit
ADEN 启用ADC，属于ADCSRA寄存器
ADSC 触发一次ADC转换，完成后自动清0，属于ADCSRA
ADPS[2:0] 设置分频倍率，属于ADCSRA
ADCH、ADCL 转换结果保存位置，若ADLAR=1，则只需要读取ADCH，独立8位寄存器
ADTS[2:0] 设置ADC触发方式，属于ADCSRB寄存器
现在我们配置一个由PB2输入，8位分辨率，手动触发的ADC，示例程序如下：
void init_ADC(void)
{
ADMUX |= (1 << MUX0) | (1 << ADLAR); //8bit，PB2输入
ADCSRA |= (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1) | (1 << ADEN); //64倍分频，启用ADC
//delay_ms(1); //等待电平稳定
//ADCSRA |= (1 << ADSC); //预采样
//while(ADCSRA & (1 << ADSC));
//void(ADCH); //丢弃预采样数据
}
uint8_t read_ADC(void)
{
ADCSRA |= (1 << ADSC); //触发采样
while(ADCSRA & (1 << ADSC); //等待转换完成
return ADCH; //返回8位结果
}
值得一提的是，启动后第一次采样消耗的时间比后续的采样长不少，如果需要做上电采样的话，需要注意电源时序，另外，上电后的第一组采样可能在电平没完全建立的情况下产生，若使用内部参考电压，则电平稳定时间更长，所以建议在初始化程序中进行一次预采样并丢弃该组数据。
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