从C到Simulink：用Counter模块玩转嵌入式定时器

前言

在嵌入式系统的世界里，定时器/计数器无疑是"心脏"般的存在。无论是驱动系统"心跳"的周期性中断、控制电机转速的PWM波，还是计算编码器脉冲的事件计数，都离不开它。传统的做法是，我们埋头于数据手册，配置一大堆寄存器（PSC, ARR, CCR...），再小心翼翼地编写中断服务函数（ISR）。这个过程不仅繁琐，而且极易出错。

然而，在基于模型的设计时代，我们有了更高效、更直观的选择------Simulink。今天，我们就来聊聊Simulink中一个看似简单却功能强大的模块：Counter（计数器），以及如何用它来优雅地完成嵌入式开发中各种定时/计数任务。

一、初识Simulink Counter模块

打开Simulink库浏览器，在Simulink -> Discrete分类下，你就能找到Counter模块。它的核心功能非常纯粹：在每个输入信号的触发边沿，将内部计数值加一或减一 。

让我们先看看它的关键参数：

参数	说明	嵌入式硬件映射
Count direction	计数方向：递增、递减或递增/递减	定时器的基本工作模式
Count event	触发事件：上升沿、下降沿或双边沿	触发信号的有效边沿
Initial condition	初始计数值	定时器计数寄存器(TIMx_CNT)的初始值
Maximum count (or Upper limit)	最大计数值	定时器自动重载寄存器(TIMx_ARR)的值
Output data type	输出数据类型	极其重要！直接对应硬件寄存器的位宽，如`uint8`, `uint16`, `uint32`
Reset port	复位端口（可选）	外部复位信号，可将计数值清零
Output port	进位输出端口（可选）	当计数值达到最大值（或最小值）时，该端口会产生一个周期的脉冲，完美模拟了定时器的"更新事件"或"溢出中断"

二、核心思想：从模型到硬件的映射

理解Counter模块如何模拟硬件定时器，是掌握其用法的关键。我们可以建立一个清晰的映射关系：

Simulink Counter	硬件定时器
触发输入端口	时钟源：可以是内部系统时钟（通过采样时间模拟），也可以是外部引脚输入的脉冲信号。
计数值输出	计数寄存器 (CNT)：实时存储当前计数值。
Maximum count	自动重载寄存器 (ARR)：决定了计数周期。当CNT达到ARR时，会溢出并从0重新开始。
进位输出端口	更新事件/中断标志 (UIF)：当CNT溢出时产生，是触发周期性中断的源头。
复位输入端口	定时器复位逻辑：强制CNT归零。
通过这个映射表，一个抽象的Simulink模块就和一个具体的硬件外设对应起来了。接下来，我们通过三个经典实例来实战演练。

实例一：实现周期性中断（系统"心跳"）

目标：每1毫秒产生一次中断，用于执行周期性任务。
硬件逻辑 ：配置定时器时钟，设置预分频器(PSC)和自动重载寄存器(ARR)，使得1 / (时钟频率 / (PSC+1) / (ARR+1)) = 1ms。当定时器溢出时，触发中断。
Simulink实现：

搭建模型 ：
- 我们需要一个"时钟"来驱动Counter。在Simulink中，这通常通过设置模型的采样时间 来实现。假设模型的基础采样时间为1ms。
- 拖入一个Counter模块，设置Maximum count为0。为什么是0？因为每个采样周期（1ms）它都会计数一次，从0到0，然后溢出，产生一个进位脉冲。
- 勾选Output port，这个端口就是我们的"中断信号"。
  模型结构：
  
  (Implicit Clock, Ts=1ms) --> [Counter] --(count)--> [Scope1]
  |
  --(port) --> [Scope2] <-- 这个就是周期性的中断信号
配置：Counter模块的Sample time设置为1（代表1ms），Maximum count为0，勾选Output port。
仿真与验证 ：
- 运行仿真，打开Scope2，你会看到一个周期为1ms的脉冲信号。这就是我们想要的"中断"！
代码生成 ：
- 使用Embedded Coder为你的目标MCU（如STM32）生成代码。
- 代码生成器会自动识别这个模式，并为你配置好硬件定时器（如TIM6）的PSC和ARR值，并生成一个定时器中断服务函数（ISR）框架，例如HAL_TIM_PeriodElapsedCallback()。你只需要在这个函数里添加你的周期性任务代码即可。

实例二：生成PWM（脉冲宽度调制）波

目标：生成一个频率为1kHz，占空比为50%的PWM信号。
硬件逻辑 ：定时器向上计数，CNT与一个捕获/比较寄存器(CCR)的值进行比较。当 CNT < CCR 时，输出高电平；否则输出低电平。ARR决定频率，CCR决定占空比。
Simulink实现：

搭建模型 ：
- Counter模块作为基础计数器，其Maximum count决定了PWM周期。假设模型采样时间为1us，要得到1kHz（周期1ms）的PWM，Maximum count应设为999（因为从0数到999是1000个计数，即1ms）。
- 用一个Constant模块提供占空比对应的计数值。50%占空比对应999 * 0.5 = 499.5，我们取500。
- 用一个Relational Operator模块比较Counter的输出和Constant的值。设置为 cnt < duty_cycle。
- 比较结果直接输出，就是PWM波。
  模型结构：
  
  (Implicit Clock, Ts=1us) --> [Counter (Max=999)] --(count)--> [Relational Operator (cnt < duty_cycle)] --> [Scope]
  ^
  |
  [Constant (500)] --------------------------------------------(duty_cycle)
仿真与验证 ：
- 运行仿真，Scope会显示一个清晰的方波，周期为1ms，高电平时间为0.5ms。修改Constant的值，就能动态调整占空比。
代码生成 ：
- Embedded Coder非常智能，它能识别出这是一个PWM生成模式。
- 生成的代码会直接配置MCU的PWM外设，将Maximum count映射到ARR，Constant的值映射到CCR，并启动PWM输出。这比自己动手配置寄存器要快得多，也安全得多。

实例三：外部事件计数（如编码器脉冲）

目标：计算一个外部引脚上输入的脉冲数量。
硬件逻辑 ：将定时器的时钟源配置为外部引脚（ETR），这样每个外部脉冲都会使CNT加一。
Simulink实现：

搭建模型 ：
- 这个场景下，Counter模块的触发源不再是模型的采样时间，而是真正的外部信号。
- 拖入一个Counter模块，关键一步 ：将其Sample time设置为-1，表示它是一个由输入信号触发的异步模块。
- 模型的输入（通常来自一个GPIO Input模块）直接连接到Counter的触发端口。
- Counter的计数值输出连接到一个Display或Scope，用于观察计数结果。
  模型结构：
  
  [GPIO Input (e.g., from Encoder)] --> [Counter (Sample time = -1)] --(count)--> [Display]
仿真与验证 ：
- 在仿真中，你可以用一个Pulse Generator模块来模拟外部输入，观察Counter的计数是否正确。
代码生成 ：
- 生成代码时，代码生成器会配置相应的GPIO为输入模式，并将定时器设置为外部时钟模式（或编码器模式，如果模型更复杂）。
- 之后，你就可以在代码中随时读取定时器的CNT寄存器值，获取最新的脉冲计数。

四、最佳实践与技巧

数据类型是关键 ：务必根据你的MCU定时器寄存器位宽（通常是16位或32位）来设置Counter模块的Output data type。使用uint16或uint32可以避免不必要的类型转换和潜在的错误。
理解采样时间 ：Sample time > 0用于定时任务，由模型时钟驱动；Sample time = -1用于事件驱动，由输入信号触发。分清场景，正确使用。
善用进位输出 ：Port是模拟中断的利器，可以用来触发模型中的其他子系统，实现复杂的、多任务的同步逻辑。
先仿真，后生成：在生成代码并下载到硬件之前，务必在Simulink中进行充分的仿真，使用Scope和Display等工具验证逻辑的正确性，能为你节省大量调试时间。

总结

Simulink的Counter模块远不止一个简单的计数器。它是连接系统级模型 与底层硬件外设 的一座重要桥梁。通过理解其参数与硬件定时器寄存器的映射关系，我们可以用一种可视化、高效率、低错误率的方式来完成嵌入式系统中最核心的定时与计数功能。

下次当你需要配置一个定时器时，不妨先试试在Simulink里拖出一个Counter模块，画出你的逻辑，然后让代码生成器为你处理繁琐的底层细节。这，就是基于模型设计的魅力所在。