Arduino控制板“定时器”冲突的故障解决

任大奇++谢作如

最近，在教学《Arduino创意机器人》的过程中碰到了一个奇怪的问题。

故障描述

学生在学习了《换挡风扇》一课后，做了一个用三个按钮控制的“换挡风扇”。如图1所示，学生将三个按钮模块分别接在Arduino的数字口2、3、4上，风扇接在数字口11上。接好硬件后，学生用米思齐（Mixly）软件编写了如图2所示的程序，编译并下载到Arduino中。学生按下按钮2，风扇开始慢速转动，再按下按钮3，风扇加速转动，按下按钮1后，风扇停止了转动。

一切都很顺利，于是笔者提议给这个作品增加遥控功能。学生们马上兴致勃勃地动手找到红外遥控模块，没几下就把硬件连接好了（在9号数字口上增加了红外接收模块），如图3所示。

使用遥控器上的“1”“2”“3”键分别控制风扇“停止转动”“慢速转动”“快速转动”，程序并不复杂，很快便写好了，如下页图4所示。

当学生按下遥控器上的“3”键时，风扇快速旋转起来。但当按下“2”键时，预期的慢速旋转并没有出现，风扇直接停止了转动。学生又按了几次“2”键，可是风扇仍然纹丝不动，再按“3”键，风扇也不动了。这时，学生赶紧检查刚才写的程序，再三检查后确定程序没有问题。那难道是硬件连接出问题了？仔细检查后也没有问题。一脸茫然的学生只好来求助笔者。于是，笔者查找遥控失效的原因。

首先，可以确定的是，风扇不能工作在慢速状态下的故障和加入了红外线遥控有关，因为本来是正常的。但它们之间会有什么关系呢？然后，笔者开始从它们的工作原理入手查找线索，考虑到遥控器遵循NEC协议，所以不论发送还是接收命令都需要产生38kHz的脉冲，于是便很自然地想到，红外接收模块工作时会使用到Arduino板的定时器，同时风扇转速的改变也是靠Arduino板定时器产生的PWM输出实现的，那会不会是它们在使用定时器资源时产生了冲突呢？带着这一疑问，笔者开始求证自己的推测。

技术分析

为了更好地理解求证过程，笔者先来解释一下Arduino UNO的主芯片（Atmage328P）中的定时器。所谓的定时器类似于生活中的闹钟，只要开启这个闹钟它就会根据设定的时间不断去提醒。提醒的方式有两种：一种是给CPU发送定时器中断，另一种是直接在管脚上输出脉冲电压（PWM）。只是在同一个时间内这个“小闹钟”只能设定一个定时时间，以一种方式工作，不能既当“闹钟”，又输出PWM。这种定时器在Atmage328P中共需要三个，分别是Timer0（0号定时器）、Timer1（1号定时器）和Timer2（2号定时器）。

为了确认红外遥控和风扇PWM输出在使用定时器资源上是否有冲突，首先，要确定风扇PWM输出所使用的是几号定时器。查看Arduino UNO的原理图，可以知道风扇所接的11口是从Arduino主芯片（Atmage328P）的17号管脚引出的（如上页图5），笔者顺藤摸瓜，查阅Atmage328P的数据手册，得知此管脚（OC2A）正是2号定时器在PWM模式下输出脉冲的管脚（如上页图6），也就是说要想风扇慢速转，必须让2号定时器工作在PWM模式下。接着，需要确认红外接收模块使用的是几号定时器。分析Mixly软件中的Arduino代码，可以看到程序加载了一个外部库“IRremote.h”，在“Mixly0.97＼arduino1.7.9＼hardware＼arduino＼avr＼libraries＼IRremote”文件夹中找到该库文件。打开该库文件，发现其又引用了一个用于设置中断的库文件“IRremoteInt.h”，在这个文件的72行中发现了“#define IR_USE_TIMER2”这一句（如上页图7）。因此可知，针对Atmage328P芯片，红外遥控模块使用了2号定时器，至此可以确定问题的原因就是这两个功能同时使用了2号定时器。

解决方案

问题的原因找到了，那怎么解决呢？笔者想到了两种方法：

第一种方法是修改红外遥控模块使用的定时器。将“IRremoteInt.h”中的72行修改成“#define IR_USE_TIMER1”，强制红外遥控使用1号定时器。保存库文件后，笔者重新编译下载，试着按下了遥控器上的“2”键，风扇慢速地转了起来，成功了！

但是，这种方法对没有学习过类C语言的学生来说，有一定困难，而且改变了默认库中定时器的设置，可能会产生与其他模块的冲突，所以这种方式只适合于硬件连接无法改变的情况使用。有没有简单点的方法呢？

还有一种方法就是更换风扇连接的数字口。查看资料，笔者可以得知，Arduino UNO的各个具备PWM输出功能的数字口及其定时器的对应关系如上页表所示。笔者将风扇换到使用0号定时器的6号口上，修改程序中的端口，重新编译下载后，测试也一切正常。学生觉得这种处理定时冲突的方式更简单，只要记住6个可以输出PWM的数字口对应的定时器，换一下连接数字口就可以解决定时器资源冲突问题。

结语

至此，故障得到了很好的解决。通过这个过程，笔者总结了在进行Arduino制作时需要注意的几点：

①用Arduino UNO实现一些简单的互动功能的确很方便，但作品的功能一旦复杂，就容易出现各种资源冲突的问题。所以，应用比较复杂的作品，最好选用硬件资源更加丰富的板子，如Arduino 2560、Arduino DUE等。

②如果作品中多处用到定时器，要合理分配定时器的使用。

③在使用数字口5、6的PWM功能时，尽量不要使用delay（）延时函数，因为这个函数是使用定时器0来产生延时。

④像红外遥控模块这样需要用到定时器的模块，尽量不要接在具有PWM功能的数字口上，以免造成干扰。

⑤将PWM输出写在不同程序段，能减少互相干扰的概率。

此外，笔者深刻体会到，创客教师和学生还应该多了解一些单片机的原理、知识，才能“造”出更多有趣的作品，遇到问题也能得到有效解决。